第2章 单片机系统电路基础 本章简要地阐述最主要的数学知识及计算机中最基本的单元电路。本章的内容是必要的入门知识，是以后各章的基础。对于已掌握这些知识的读者，本章将起到复习和系统化的作用。

第2章 单片机系统电路基础 2.1 数制与编码 2.2 单片机系统常用数字集成电路 2.3 单片机系统中的常用存储器电路 本章小结

2.1 数制与编码 2.1.1 进位计数制 2.1.2 进位计数制的相互转换 2.1.3 数码和字符的代码表示

2.1.1 进位计数制 1. 十进制计数制 十进制的基为10，它所使用的数码为0～9，共10个数字。 计数规律：逢10进1 2.1.1 进位计数制 1. 十进制计数制 十进制的基为10，它所使用的数码为0～9，共10个数字。 计数规律：逢10进1 任意一个十进制数 ( S )10，可以表示为 ( S )10 = kn-110n-1+kn-210n-2+…+k0100+k-110-1+k-210-2+…+k-m-110-m-1 例： (2001.9)10 = 2 × 103 + 0 × 102 + 0 × 101 + 1 × 100 + 9 × 10-1

2.1.1 进位计数制 2. 二进制计数制 二进制的基为2，它所使用的数码为0、1，共2个数字。 计数规律：逢2进1。 2.1.1 进位计数制 2. 二进制计数制 二进制的基为2，它所使用的数码为0、1，共2个数字。 计数规律：逢2进1。 任意一个二进制数 ( S )2可以表示成 ( S )2 = k n-12n-1 + kn-22n-2 +…+ k020 + k-12-1 + k-22-2 +…+k-m-12-m-1 例： (1101.101)2 = l×23 + 1 × 22 + 0 × 21 + 1 × 20 + 1 × 2-1 + 0 × 2-2 + 1 × 2-3

2.1.1 进位计数制 3. 十六进制计数制 十六进制的基为16，其使用的数码为0～9、A～F，共16个数字 用A～F表示10～15 2.1.1 进位计数制 3. 十六进制计数制 十六进制的基为16，其使用的数码为0～9、A～F，共16个数字 用A～F表示10～15 计数规律：逢16进1 任意一个十六进制数 ( S )16可以表示成 ( S )16 = kn-116n-1+kn-216n-2+…+k0160+k-116-1+k-216-2+…+k-m-116-m-1 例： (8AE6)16 = 8×163+A×162+E×161+6×160 (8AE6)16也可表示为8AE6H

2.1.2 进位计数制的相互转换 1. 十进制转换成十六进制 例： 一个十进制整数转换成十六进制数时，按除16取余的方法进行。 2.1.2 进位计数制的相互转换 1. 十进制转换成十六进制 一个十进制整数转换成十六进制数时，按除16取余的方法进行。 例： (725)10 = ( ? )16 转换结果，得到 (725)10 = (2D5)16。

1. 十进制转换成十六进制 例： 一个十进制小数转换成十六进制小数时，可按乘16取整的方法进行。 (0.7875)10 = ( ? )16 0. 7 8 7 5 × 1 6 1 2. 6 取整数12，即16进制数C 0. 6 × 16 9. 6 取整数9 × 1 6 转换结果，可得 (0.7875)10 = (0.C99)16

2. 十六进制转换成十进制数 例： (1C4.68)16 = 1×162+C×161十4×160+6×16-1+8×16-2 十六进制数转换成等值的十进制数时，可用按权相加的方法进行。 例： (1C4.68)16 = 1×162+C×161十4×160+6×16-1+8×16-2 = 256+192+4+0.375+0.03125 =(452.40625)10

3. 十六进制与二进制数的转换 一位十六进制数表示的数值恰好相当于4位二进制数能表示的数值。因此彼此之间的转换极为方便，只要从小数点开始分别向左右展开即可。 (3AB4)16 ＝(0011 1010 1011 0100)2 (1111 1101.0100 1111)2＝(FD.4F)16

2.1.3 数码和字符的代码表示 一、 三个术语 数码：代表一个确切的数字 代码：特定的二进制数码组，是不同信号 的代号，不一定有数的意义 2.1.3 数码和字符的代码表示 一、 三个术语 数码：代表一个确切的数字 代码：特定的二进制数码组，是不同信号 的代号，不一定有数的意义 编码 ：n位二进制数可以组合成2n个不同 的信息，给每个信息规定一个具 体码组，这个过程叫作编码。

二、 二进制码： 自然码：有权码，每位代码都有固定权值， 结构形式与二进制数完全相同 循环码 ：无权码，每位代码无固定权值，任何 相邻的两个码组中，仅有一位代码不 同。 详细见主教材第12页 表2.1 两种4位二进制编码

BCD码用二进制代码对十进制数进行编码，它既具有二进制码的形式（4位二进制码），又有十进制数的特点（每4位二进制码是1位十进制数）。 例： (6840)10 = (0110 1000 0100 0000)BCD

四、 字母与字符的编码 由于计算机中采用二进制数码表示。要在计算机中表示字母、字符等都要用特定的二进制数码表示。字母与字符用二进制码表示的方法很多，目前在计算机中普遍采用的是ASCII码（American Standard Code for Information Interchange，美国标准信息交换码）。它采用8位二进制编码，故可以表示256个字符。其中包括数码0～9、英文字母以及打印和不可打印的字符。详细见主教材第13页 表2.2 ASCII码字符表

2.2 单片机系统常用数字集成电路 2.2.1 常用的逻辑门电路 2.2.2 集电极开路门输出电路 2.2.3 常用组合逻辑电路 2.2 单片机系统常用数字集成电路 2.2.1 常用的逻辑门电路 2.2.2 集电极开路门输出电路 2.2.3 常用组合逻辑电路 2.2.4 常用时序逻辑电路

2.2.1 常用的逻辑门电路 1、与门 Y = A·B = AB A B Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 与门逻辑符号 2.2.1 常用的逻辑门电路 1、与门 与运算表达式 Y = A·B = AB A B Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 与运算真值表 与运算符，也有用 “∧”、 “∩”、“&”表示 与门逻辑符号 & A Y B 与逻辑功能口诀： 有“0”出“0”； 全“1”出“1”。

2、 或门 Y = A+B A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 或门逻辑符号 或运算表达式 或运算真值表 A Y B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 或运算真值表 或运算符，也可用 “∨”、“∪”表示 或门逻辑符号 ≥1 A B Y 或逻辑功能口诀： 有“1”出“1”； 全“0”出“0”。

3、 非门 “－”非逻辑运算符 非运算表达式 Y = A A Y 0 1 1 0 非运算真值表 非门逻辑符号 1 A Y

4、恒等门 运算表达式 Y = A A Y 0 0 1 1 恒等门运算真值表 恒等门逻辑符号 1 A Y

5、 与非门 A B Y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 与非门逻辑符号 与非逻辑真值表 与非逻辑表达式 A & Y B 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 与非逻辑真值表 与非逻辑表达式 & A Y B 与非门逻辑符号 与非逻辑功能口诀： 有“0”出“1”； 全“1”出“0”。

6、 或非门 A B Y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 或非门逻辑符号 或非逻辑真值表 或非逻辑表达式 A Y B 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 或非逻辑真值表 或非逻辑表达式 或非门逻辑符号 ≥1 A B Y 或非逻辑功能口诀： 有“1”出“0”； 全“0”出“1”。

逻辑代数中的逻辑运算 7、 异或门 异或门逻辑符号 ⊕ A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 异或逻辑表达式 A Y =1 ⊕ 异或逻辑表达式 A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 异或逻辑真值表 异或逻辑功能口诀： 同为“0”； 异为“1”。

2.2.2 集电极开路门输出电路 TTL门电路中，因为输出级采用了推拉式电路，无论输出高电平还是低电平，它的输出电阻都很低，从而有效地降低了输出级的静态功耗并提高了驱动负载的能力。 但推拉式输出结构有其局限性： 1）它们的输出端不能并联使用， 2）无法满足对不同输出高低电平的需要； 3）不能满足驱动较大电流、较高电压的负载的要求。 克服上述局限的方法就是，门电路的输出级采用集电极开路的三极管结构，制成集电极开路门电路（OC门, Open Collector Gate）。 OC与非门逻辑符号

OC门在单片机系统中主要作用： 1、线与 应用时输出端要接一上拉负载电阻RL

2、作为驱动器。 利用OC门可以控制一些较大电流的执行机构，如控制电动机。

OC与非门驱动发光二极管

2.2.3 常用组合逻辑电路 1. 编码器（ENC） 1）普通编码器 在普通编码器中，任何时刻只允许输入一个编码信号，否则输出将发生混乱。 2.2.3 常用组合逻辑电路 1. 编码器（ENC） 1）普通编码器 在普通编码器中，任何时刻只允许输入一个编码信号，否则输出将发生混乱。 普通编码器是多输入、多输出的组合逻辑电路：有多个输入端N，1为有信号，0为无信号（或相反）；多个输出端n。两者关系满足2n = N。某一输入与它的编码输出是唯一对应关系。

4-2编码器看作计算机配有的4个外部设备：声卡（A0）、硬盘驱动器（A1）、鼠标（A2）、网卡（A3）作为输入信号，B0、B1作为编码输出。逻辑表达式为： 4-2编码器真值表 A3 A2 A1 A0 B1 B0 1

2）优先编码器 在优先编码器电路中，允许同时输入两个以上的信号。不过在设计优先编码器时将所有的输入信号按优先顺序排队，当几个输入信号同时出现时，只对其中优先权最高的一个进行编码。 A3优先权最高，A0优先权最低。优先排队电路的逻辑表达式为：

4-2优先编码器真值表 A3 A2 A1 A0 B1 B0 1 x

八进制-二进制编码器，三态输出，可接单片机数据总线 单片机系统中常用的优先编码器电路 功 能 型 号 说 明 10 - 4优先编码器 74HC147 十进制-二进制编码器 8 - 3优先编码器 74HC148 八进制-二进制编码器 3状态8 - 3优先编码器 74LS348 八进制-二进制编码器，三态输出，可接单片机数据总线 优先编码器74HC148演示

2. 译码器（DEC） 译码器是编码器的逆过程，编码器和译码器成对存在，译码器也是多输入、多输出的组合逻辑电路，多个输入端数为N，则输出端数为n = 2N。 1）2 -4线译码器 对于任意组输入编码，仅有与该编码相对应的一个输出端输出为0，称为译中；其余所有输出都为1，称为未译中。 逻辑表达式为：

当编码输入A0 = 0, A1 = 0时, B0 = 0（有译码输出）， B1 = B2 = B3 = 1（无译码输出） 2-4线译码器真值表 A0 A1 B0 B1 B2 B3 1

2）3 -8线译码器（74HC138） 3个地址输入端：A1、A2、A3； 3个使能输入端： G1、G2、G3； 8个输出端： Y0～Y7

74HC138译码器输出逻辑表达式为： 使能输入逻辑表达式为： 当EN = 1时译码器工作， 3-8线译码器有输出 （0 表示有译码输出，1表示无译码输出）

74HC138译码器演示

单片机系统中常用的译码（驱动）器电路 功 能 型 号 说 明 2-4译码器 74HC139 双重 3-8译码器 74HC138 功 能 型 号 说 明 2-4译码器 74HC139 双重 3-8译码器 74HC138 4-16译码器 74HC154 BCD十进制译码驱动器 74LS145 OC门输出 7段显示译码驱动器 74LS48 二-十进制

3. 数据选择器和数据分配器 1）4选1数据选择器 在数字系统的传输过程中，有时需要从多路输入数据中选中某一路输出，这时就要用到称为数据选择器（MUX）的逻辑电路。 4路输入信号是D0、D1、D2和D3，地址选择端是A和B，输出端是Y 输入信号中的哪一路送到输出端， 决定于A和B的状态： AB = 00, Y = D0，信号D0到输出端； AB = 10, Y = D1，信号D1送到输出端； AB = 01, Y = D2，信号D2送到输出端； AB = 11, Y = D3，信号D3送到输出端。

2）数据分配器 数据分配器也称多路分配器，是一路输入、多路输出的组合逻辑器件。 1-4数据分配器是指1路输入、4路输出的组合逻辑电路

译码器也可以作为数据分配器使用，只要将译码器的使能端连接数据输入端即可实现数据分配器的功能。 用3-8译码器实现数据1-8分配器

单片机系统中常用数据选择器和数据分配器 功 能 型 号 说 明 16-1数据选择器 74HC150 8-1数据选择器 74HC151 有反相输出 74HC152 4-1数据选择器 74HC153 双重4选1 2-1数据选择器 74HC257 三态输出 2-4数据分配器 74HC155 74LS156 OC门输出

4. 三态门与传输门 1）总线： 总线（BUS）是一组导线，是数据传送的公共通路。在总线结构的计算机中，多个部件挂在总线上，共享总线，多个部件分时使用总线，进行部件间的数据传送。所谓分时使用总线，就是在某一时刻，只允许一组数据发送到总线上，使相应的部件接收总线上的数据。

三态门是一种扩展逻辑功能的输出级，也是一种控制开关。 2）特殊控制开关—— 三态门： 三态门是一种扩展逻辑功能的输出级，也是一种控制开关。 恒等门和非门真值表 恒 等 门 非 门 EN A F 1 x 高阻

2.2.4 常用时序逻辑电路 1. 锁存器 由若干个电平触发的D触发器构成的一次能存储多位二进制代码的时序逻辑电路，叫作锁存器。 2.2.4 常用时序逻辑电路 1. 锁存器 由若干个电平触发的D触发器构成的一次能存储多位二进制代码的时序逻辑电路，叫作锁存器。 锁存器的工作特点为，数据信号有效滞后于时钟信号有效。这意味着时钟信号先到，数据信号后到。

8位锁存器74HC373/74HC573 （图中只画出4位） 74HC373/74HC573功能表 输 出 控 制 G D 输 出 1 x 输 出 1 x Qn 高阻

2. 寄存器 由若干个正沿D触发器构成的一次能存储多位二进制代码的时序逻辑电路，叫作寄存器，也称为数据触发器。 寄存器的工作特点为，时钟信号有效滞后于数据信号有效。这意味着数据信号先建立，时钟信号后建立。在CP上升沿时刻打入到触发器。

8位寄存器74HC374/74HC574 （图中只画出4位） 74HC374/74HC574功能表 输 出 控 制 CP D 输 出  1 输 出  1 x Qn 高阻

74HC374/74HC574寄存器时序图

单片机系统中常用的锁存器和寄存器 功 能 型 号 触发送数方式 备 注 双D型触发器 74HC74 上升沿 带清0端 4D型锁存器 功 能 型 号 触发送数方式 备 注 双D型触发器 74HC74 上升沿 带清0端 4D型锁存器 74HC75 高电平 6D型触发器 74HC174 8D型触发器 74HC273 74HC574 8D型锁存器 74HC573

2.3 单片机系统中的常用存储器电路 存储器是用来存放数据的集成电路或介质，常见的存储器有半导体存储器（ROM、RAM）、光存储器（如CD、VCD、MO、MD、DVD）、磁介质存储器（如磁带、磁盘、硬盘）等。存储器是计算机极为重要的组成部分，有了它计算机才具有存储信息的功能，使计算机可以脱离人的控制自动工作。单片机系统中主要使用的存储器是半导体存储器，从使用功能上，可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两类。

2.3.1 RAM存储器 RAM存储器是指断电时信息会丢失的存储器，但是这种存储器可以现场快速地修改信息，所以RAM存储器是可读写存储器，一般都作为数据存储器使用，用来存放现场输入的数据或者存放可以更改的运行程序和数据 RAM存储器分类： 静态读写存储器（SRAM，Static RAM） 动态读写存储器（DRAM，Dynamic RAM）

SRAM的基本结构 1. 地址译码方式 地址译码有两种方式，一种是单译码方式，或称为字结构方式，适用于小容量存储器；另一种是双译码方式，或称为X-Y译码结构。

1）单译码方式 16字×4位单译码存储器结构

2）双译码方式 双译码结构地址译码存储器

2.读写控制电路 在RAM结构中，读出和写入的数据线是公用的，为控制电路中数据的流向，设立了专门的读写控制电路。

3.静态RAM 62256 1）引脚图

2）工作方式 方 式 功 能 1 写入 D0～D7数据写入62256 读出 读62256数据到D0～D7 x 未选中 D0～D7输出高阻态

3）连接使用方法

RAM 62256写入、读出数据演示

2.3.2 ROM存储器 只读存储器（ROM）的特点是：其内容是预先写入的而且一旦写入，使用时就只能读出不能改变，掉电时也不会丢失，ROM器件还具有结构简单、信息度高、价格低、非易失性和可靠性高等特点。对ROM内容的设定（写入）称为编程。 ROM的分类： 固定ROM 可编程的PROM 可擦可编程的EPROM 按编程方式

1、ROM的结构与工作原理 ROM由存储矩阵、地址译码器、读放与选择电路组成。

2、 ROM的点阵结构表示法

3、可用紫外线擦除可编程只读存储器EPROM 1）引脚与接线

常用EPROM主要技术特性 参数 型号 EPROM 2764 EPROM 27128 EPROM 27256 容量（B） 8×1024 参数 型号 EPROM 2764 EPROM 27128 EPROM 27256 容量（B） 8×1024 16×1024 32×1024 引脚数 28 最大维持电流(mA) 1 最大工作电流(mA) 30 存取时间(ns) 100 工作电压(V) 5

2）编程操作 EPROM在工厂提供的产品未被编程前，所有的位都是逻辑1状态，用户根据需要使用专用设备编程器把逻辑0状态写入到所希望的位中。

4、闪速存储器 闪速存储器（Flash EEPROM）可以用来存放程序，但由于其读写方便，也可以像RAM一样存放经常需要修改的数据，所以又称为Flash Memory。 下新一代闪速存储器的特点及其功能。 1）低电压在线编程，使用方便，可多次擦写 2）按块/按扇区擦除，按字节编程 3）完善的数据保护功能

本章小结 在计算机中常用的数制有十进制、二进制和十六进制。 常用的数字编码为BCD码，常用的字符编码是ASCII码 。 单片机系统中常采用数字集成逻辑门电路作为隔离、驱动和扩展接口。 单片机常采用ROM存储器作为程序存储器，RAM存储器作为数据存储器，闪速存储器Flash EEPROM可以用来存放程序，但由于其读写方便，也可以像RAM一样存放经常需要修改的数据。