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第一章 數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(shí) 1 數(shù)字值 數(shù)字值以整數(shù)值的形式表示。用二進(jìn)制數(shù)制表示的數(shù)字值稱為二進(jìn)制數(shù)。微控制器能夠理解，例如：“電壓的高低”，“電流是否流動(dòng)”，“按鍵是否按下”，“1還是0”等一些問(wèn)題。
 數(shù)字值
2 數(shù)字值：二進(jìn)制和十進(jìn)制
讓我們來(lái)思考一下二進(jìn)制數(shù)和十進(jìn)制數(shù)之間的關(guān)系。首先，我們來(lái)看看日常使用的十進(jìn)制數(shù)。例如，如果數(shù)字是1359（十進(jìn)制），加1，就變成了1360。這樣，當(dāng)十進(jìn)制數(shù)超過(guò)9時(shí)，它就變成了10，也就發(fā)生了進(jìn)位。1359可以如圖中的公式進(jìn)行拆解。這里使用的10^3、10^2、10^1、10^0稱為“權(quán)重”。
現(xiàn)在，讓我們看看二進(jìn)制數(shù)。二進(jìn)制是由0和1組成的數(shù)字，當(dāng)它變成2時(shí)，就會(huì)發(fā)生進(jìn)位。例如，我們將權(quán)重添加到1110（二進(jìn)制）。在二進(jìn)制數(shù)時(shí)，權(quán)重變成了2^3、2^2、2^1、2^0。計(jì)算這個(gè)公式時(shí)，它可以轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。在這種情況下，8＋4＋2＋0就變成了14。這樣，十進(jìn)制數(shù)最多可增加到1、10、100、1000位，而二進(jìn)制數(shù)最多可增加到1、2、4、8位。
 
3 數(shù)字值：二進(jìn)制數(shù)據(jù)單位
微控制器使用的數(shù)據(jù)有單位。當(dāng)數(shù)據(jù)用二進(jìn)制數(shù)表示時(shí)，一個(gè)數(shù)字稱為一位。可由4位、8位、16位、32位等處理。1024位稱為1K（Kilo）位。請(qǐng)注意，1K并不是1000。半字節(jié)（nibble）是一個(gè)4位的二進(jìn)制數(shù)，代表1個(gè)半字節(jié)（4位）的數(shù)據(jù)。字節(jié)（byte）是一個(gè)8位的二進(jìn)制數(shù)，代表1個(gè)字節(jié)（8位）的數(shù)據(jù)。此外，還可以使用“字”。沒有“1個(gè)字＝多少位”的規(guī)定，1個(gè)字代表1個(gè)數(shù)據(jù)。例如，在4位微控制器中，4位數(shù)據(jù)有時(shí)稱為1個(gè)字；在16位微控制器中，16位數(shù)據(jù)有時(shí)稱為1個(gè)字。因此，要提前查看在微控制器中1個(gè)字的位數(shù)是多少，以及如何處理它們。
 二進(jìn)制數(shù)據(jù)單位
4 數(shù)字值：數(shù)據(jù)的表示法
下表是十進(jìn)制數(shù)、二進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)的對(duì)比表。例如，數(shù)字8可以用1位十進(jìn)制數(shù)表示，但二進(jìn)制數(shù)必須用4位表示。256需要十進(jìn)制數(shù)為3位，二進(jìn)制數(shù)為9位。因此，我們采用十六進(jìn)制數(shù)，使二進(jìn)制數(shù)的處理更容易。因?yàn)槎M(jìn)制數(shù)的4位可以用十六進(jìn)制數(shù)中的1位來(lái)表示，所以處理起來(lái)很方便。  十進(jìn)制數(shù)和二進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)的數(shù)據(jù)表示法
5 數(shù)字值：數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換方法本節(jié)內(nèi)容中，我們將介紹如何輕松地將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)。要將十進(jìn)制數(shù)100表示為二進(jìn)制數(shù)，首先要用100除以2。它能被50整除，余數(shù)為0。然后，用50除以2得到25，再用25除以2，去掉余數(shù)1，繼續(xù)計(jì)算，直到不被整數(shù)除掉為止。計(jì)算結(jié)果的余數(shù)從下往上逆序排，便將其轉(zhuǎn)換為了二進(jìn)制數(shù)。當(dāng)十進(jìn)制數(shù)100轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)時(shí)，就變成了（1100100）。 那么如何轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)呢？如果用100除以16，就是6，余數(shù)為4。因此，當(dāng)十進(jìn)制數(shù)100轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)時(shí)，就變成了（64）。如下：
6 邏輯電路下面，我們來(lái)了解一下微控制器的邏輯電路。這里的邏輯是指，按照某個(gè)理論，執(zhí)行電子電路所處理的數(shù)字信號(hào)的輸入與輸出之間的關(guān)系。執(zhí)行該操作的電子電路稱為邏輯電路。微控制器由極其復(fù)雜的邏輯電路組成。每個(gè)邏輯電路都由三種基本邏輯元素組合而成。  三種基本邏輯元素
7 邏輯電路：與門（AND）電路與門（AND）也稱為邏輯與門電路。與門（AND）邏輯可以看作是一個(gè)在滿足所有輸入條件時(shí)輸出信號(hào)的電路。例如，當(dāng)你想打開燈泡時(shí)，即使開關(guān)A為“ON”時(shí)，如果開關(guān)B為“OFF”，燈泡也不亮。相反，即使開關(guān)B為“ON”時(shí)，如果開關(guān)A“OFF”，燈泡仍然不亮。所以，這意味著只有當(dāng)開關(guān)A和B都為“ON”時(shí)，燈泡才會(huì)亮。如真值表所示，只有當(dāng)A和B都輸入1時(shí)，輸出Y才為1。電路圖可用MIL符號(hào)（*）表示，如圖所示。*由美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)“MIL標(biāo)準(zhǔn)”定義的數(shù)字電路圖中使用的符號(hào)。MIL標(biāo)準(zhǔn)（軍用標(biāo)準(zhǔn)）：美國(guó)國(guó)防部統(tǒng)一的軍事用品采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。  與門電路
8 邏輯電路：或門（OR）電路或門（OR）電路稱為邏輯或門電路。或門（OR）電路可以看作一個(gè)輸入任何信號(hào)時(shí)都會(huì)輸出的電路。和與門一樣，我們以開燈泡來(lái)舉例說(shuō)明。與門（AND）電路是串聯(lián)的，但或門（OR）電路按鍵是并聯(lián)的。換言之，如果A或B中的任何一個(gè)為“ON”時(shí)，燈泡都會(huì)亮。如真值表所示，向A或B輸入1時(shí)，輸出Y都為1。原理圖可用MIL符號(hào)表示，如圖所示。  或門電路
9 邏輯電路：非門（NOT）電路非門（NOT）電路也稱為邏輯非門電路。向A輸入1時(shí)，輸出變?yōu)?，向A輸入0時(shí)，輸出變?yōu)?。這樣，輸入信號(hào)反轉(zhuǎn)后輸出。原理圖可用MIL符號(hào)表示，如圖所示。 與非門（NAND）電路由非門（NOT）電路和與門（AND）電路組合而成。 或非門（NOR）電路由非門（NOT）電路和或門（OR）電路組合而成。  非門電路
10 邏輯電路：異或(XOR)電路通過(guò)結(jié)合以上所述基本邏輯電路，可以配置具有特定功能的電路。此處，我們將說(shuō)明用于比較器的異或（XOR）（*）電路，該比較器用于檢查數(shù)據(jù)不匹配和加法器。圖中，開關(guān)按下的狀態(tài)定義為打開，拉起的狀態(tài)定義為關(guān)閉。當(dāng)開關(guān)A為“ ON”時(shí)，上電路接通，下電路斷開。反過(guò)來(lái)，當(dāng)開關(guān)A為“ OFF”時(shí)，下電路接通，上電路斷開。當(dāng)開關(guān)B為“ ON”時(shí)，上電路斷開，下電路接通。反過(guò)來(lái)，當(dāng)開關(guān)B為“ OFF”時(shí)，下電路斷開，上電路接通。如圖所示，如果將開關(guān)A、B組合在一起，則當(dāng)A、B均為“ ON”或“ OFF”時(shí)，無(wú)電流流過(guò)，燈泡不亮。只有當(dāng)A、B不匹配時(shí)（例如A為“ ON”且B為“ OFF”），電路才會(huì)接通，燈泡才會(huì)亮。如真值表所示，向A或B輸入1時(shí)，輸出Y都為1。原理圖可用MIL符號(hào)表示，如右圖所示。* 為Exclusive OR的縮寫  異或電路
11 邏輯電路：三態(tài)緩沖器（1）在一般邏輯元件中，輸出信號(hào)由輸入信號(hào)決定，狀態(tài)為“1”或“0”。但是，有些邏輯元件除了“1”和“0”之外，還有其他狀態(tài)。例如，下圖中的電路與非門（NOT)電路相似，但與非門（NOT）電路不同。非門（NOT）電路通過(guò)將輸入信號(hào)反相輸出數(shù)據(jù)，該電路將輸入數(shù)據(jù)原樣輸出。  圖1.輸出高電平的情況如果控制部分設(shè)置為“1”（高電平），則輸入數(shù)據(jù)按原樣輸出。但是，如果控制部分設(shè)置為“0”（低電平），如圖2所示，則輸出部分將斷開連接，數(shù)據(jù)無(wú)法輸出。這種斷開狀態(tài)稱為高阻抗。像這樣可以有“1”（高電平）狀態(tài)、“0”（低電平）狀態(tài)、高阻抗?fàn)顟B(tài)這三種輸出狀態(tài)的電路，稱為三態(tài)輸出。  圖2.輸出高阻抗?fàn)顟B(tài)的情況
12 邏輯電路：三態(tài)緩沖器（2）當(dāng)通過(guò)一條信號(hào)線發(fā)送雙向信號(hào)時(shí)使用該電路。通過(guò)這種方式配置電路，將控制信號(hào)從“0”切換到“1”或從“1”切換到“0”，就可以切換信號(hào)的方向。  三態(tài)緩沖器（雙向數(shù)據(jù)傳輸）
13 邏輯電路：邏輯電路應(yīng)用實(shí)例微控制器采用以上所述各種邏輯電路的組合。在這些邏輯電路中，如果輸入發(fā)生變化，輸出也會(huì)同時(shí)發(fā)生變化，其數(shù)據(jù)無(wú)法存儲(chǔ)。另一方面，存儲(chǔ)過(guò)去輸入信息的電路稱為時(shí)序電路（反饋電路）。時(shí)序電路的輸出不僅取決于當(dāng)前時(shí)刻的輸入，還取決于電路之前的狀態(tài)。觸發(fā)器（flip-flop）電路是與微控制器密切相關(guān)的存儲(chǔ)電路的原型。flip-flop一詞原意是指“噼啪聲”或“狀態(tài)突然變化”。其還有一個(gè)名稱，叫做雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。顧名思義，它有兩種穩(wěn)定的狀態(tài)。它由決定狀態(tài)的輸入條件設(shè)置。此狀態(tài)被保留或存儲(chǔ)，直到給出決定其他狀態(tài)的輸入條件。觸發(fā)器有RS、T、D、JK等，取決于0和1的存儲(chǔ)方式。  半加器電路
14 邏輯電路：RS觸發(fā)器電路RS觸發(fā)器的“R”和“S”分別是“Reset”（復(fù)位）和“Set”（設(shè)置）的縮寫。要使觸發(fā)器具有記憶功能，需要將輸出狀態(tài)反饋給輸入端，從而保持輸出狀態(tài)。當(dāng)R和S都是“0”時(shí)，如果Q是“1”，則保留“1”，如果Q是“0”，則保留“0”。Q存儲(chǔ)“1”的狀態(tài)稱為設(shè)置狀態(tài)，存儲(chǔ)“0”的狀態(tài)稱為復(fù)位狀態(tài)。輸出端有Q和Q~，但是Q和Q~之間的關(guān)系始終相反。在真值表的運(yùn)行條件中有禁止條件，但如果在該條件下使用，則無(wú)法確定下一個(gè)輸出。下圖是RS觸發(fā)器電路的時(shí)序圖。設(shè)置輸入信號(hào)“1”設(shè)置為S時(shí)，輸出端Q被設(shè)置。此后，如果S和R都繼續(xù)為“0”，則Q保持設(shè)置狀態(tài)。接下來(lái)，如果R變?yōu)椤?”，則被復(fù)位，復(fù)位狀態(tài)保留，直到輸入信號(hào)再次被設(shè)置為S。這樣，RS觸發(fā)器電路就具有將瞬時(shí)信號(hào)存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)的特性。  RS觸發(fā)器電路
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