單片機邏輯原理

1、單片機邏輯原理前言我們講，單片機不是憑空產(chǎn)生的，人們想要這樣的東西至少有文明以來就有。從最早的算盤，到機械計算器，到電子管計算機，到晶體管計算機。1957年隨著諾伊斯等人發(fā)明集成電路制作工藝，單片機才出現(xiàn)在我們面前。1971年1月INTEL推出第一顆4004單片機，之后單片機如雨后春筍般涌現(xiàn)。1974年8月摩托羅拉推出6800單片機；德州儀器推出TMS1000；國家半導體推出PACE單片機邏輯原理結(jié)構(gòu)我們先來了解下單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，下圖是8051單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其實所有類型的單片機結(jié)構(gòu)都大同小異，都包含算術(shù)邏輯單元，程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，外設(shè)等。為什么是這樣的結(jié)構(gòu)，要從計算機的歷史說起。

2、1946年第一臺電子計算機埃歷阿克面世，這臺“巨型機”占地面積為170平方米，總重量達到30噸，運算速度在當時是驚人的1秒5000次加法。雖然速度“很快”，但埃歷阿克沒有程序存儲器，所有指令得手動輸入。單片機邏輯原理結(jié)構(gòu)手動輸入運行指令意味著，再快計算速度都是白搭，因為輸入指令占用大部分時間。埃歷阿克顧問，數(shù)學家及“計算機之父”馮諾依曼針對埃歷阿克發(fā)表計算機史上著名的“101頁報告”，指出計算機要包括5個單元：運算器CA、邏輯控制器CC、存儲器M、輸入裝置I和輸出裝置O，并用二進制替代十進制運算。單片機邏輯原理邏輯為什么要采用二進制，因為計算機先驅(qū)們發(fā)現(xiàn)電路在處理二進制“開、關(guān)”上要比十進制方

3、便的多。1938年數(shù)學家香農(nóng)在他的碩士論文繼電器和開關(guān)電路的符號分析中用布爾代數(shù)對開關(guān)電路進行相關(guān)分析，證明可以通過繼電器電路來實現(xiàn)布爾代數(shù)的邏輯運算，同時明確地給出了實現(xiàn)加，減，乘，除等運算的電子電路的設(shè)計方法。單片機邏輯原理邏輯與為了便于了解，這里用繼電器電路表示邏輯電路。VAB我們來看下左圖兩個繼電器控制燈泡的電路情況。C單片機邏輯原理邏輯與BCVACVAB單片機邏輯原理邏輯與A B都閉合時，燈泡才亮，這就是與門邏輯電路。CVABABCA B C0 0 00 1 01 0 01 1 1單片機邏輯原理邏輯或A B只要一個閉合燈泡就亮，這就是邏輯或電路。VABCVABCA B C0 0 00

4、 1 11 0 11 1 1單片機邏輯原理邏輯或A B只要一個閉合燈泡就亮，這就是邏輯或電路。ABCA B C0 0 00 1 11 0 11 1 1VBCVA單片機邏輯原理邏輯或A B只要一個閉合燈泡就亮，這就是邏輯或電路。VACVABCA B C0 0 00 1 11 0 11 1 1VA單片機邏輯原理邏輯或A B只要一個閉合燈泡就亮，這就是邏輯或電路。CVABCA B C0 0 00 1 11 0 11 1 1VAVA單片機邏輯原理邏輯非A斷開時燈泡亮，A閉合時燈泡滅，邏輯非電路。ACA C0 11 0VA單片機邏輯原理邏輯非A斷開時燈泡亮，A閉合時燈泡滅，邏輯非電路。A C0 11 0

5、ACVA單片機邏輯原理邏輯與非門與門與非門組合邏輯，與非門。CVAVBA B C0 0 10 1 11 0 11 1 0ABC單片機邏輯原理邏輯或非門與門與非門組合邏輯，或非門。CVABABCA B C0 0 10 1 01 0 01 1 0單片機邏輯原理邏輯ABCABCACABCABC與門或門非門或非門與非門我們來看下幾個邏輯電路的符號，就是這幾個邏輯電路，組成我們豐富的數(shù)字世界，用繼電器表示是為了直觀體現(xiàn)，現(xiàn)在的數(shù)字電路都是在晶體管，場效應(yīng)管的基礎(chǔ)上的。單片機邏輯原理二進制加法為什么要用二進制，前面說過了，電路在處理二進制“開、關(guān)”上要比處理十進制簡單的多。接下來我們來看看二進制加法電路怎

6、么實現(xiàn)，實際上只要能實現(xiàn)加法就能實現(xiàn)任何數(shù)學計算，我們編程的數(shù)學算法都是基于加法基礎(chǔ)上的，集成硬件加法器的處理器芯片并不多見，DSP是一種。我們來看下一位的二進制加法：A、B輸入，C和輸出，D進位輸出。你可能在學校里記過上面這張表，并背誦過如下口訣：0加0等于0，0加1等于1，1加0等于1，1加1等于0，進1。與十進制加法一樣，二進制加法也從最右邊的一列開始，逐列相加兩個數(shù)：A B C D0 0 0 00 1 1 01 0 1 01 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1+ 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1單片機邏輯原理二進制加法半加器A B S CO0

7、0 0 00 1 1 01 0 1 01 1 0 1數(shù)學上寫寫簡單，誰都會，用電路怎么表示表示出來呢？我們來看下和C與進位D與輸入AB之間的邏輯關(guān)系，可能大家都看出來了，進位D好簡單，就是與門電路，這個和怪別扭的，既不是與，也不或，非也不是，怎么弄？可能大家還是能看點名堂出來，AB輸入不同時，和輸出為1，聰明的先輩們早就給我們想好這樣的電路了，并取名異或門，如下是電路連接，我們來分析下。ABS與門，輸入都為1時輸出1或門，輸入有一個為1時輸出1與非門，輸入不都為1時輸出1ABS異或邏輯表示單片機邏輯原理二進制加法半加器和為異或邏輯，進位為與邏輯，好了，我們的1位二進制加法電路就出來了，由于沒有

8、進位相加，我們稱之為半加器,我們把電路簡化為右圖， 它可以把兩個二進制位A和B相加，從而得到一個和輸出(簡稱S) 和一個進位輸出(簡稱CO)。ABCOSAB半加器SCO單片機邏輯原理二進制加法全加器但大部分二進制數(shù)是多于1位的，半加器不能夠把前一步的進位加到本次運算中。例如做如下加法： 1 1 1 1+ 1 1 1 11 1 1 1 0 只能用半加器來計算最右邊一列數(shù)：即1加1等于0，進位為1。對于右邊第2列數(shù)，由于進位的存在，需要加3個數(shù)，需要按如下方式把兩個半加器和一個或門連接起來，我們稱之為全加器：AB半加器SCOAB半加器SCO進位輸出和輸出進位輸入AB全加器SCOCI單片機邏輯原理二

9、進制加法8位加法器有同學可能已經(jīng)想到了，我們把8個全加器串起來就是一個8位加法器，理論上可以串無限多。如何實現(xiàn)減法？A BFACICO SA BFACICO SA BFACICO S8位和進位輸入進位輸出A7.A0B7.B0 8位加法器CICO S7.S0單片機邏輯原理時鐘在單片機構(gòu)成圖里面有個CLOCK，是什么東西。我們先來看下這樣的一個電路，如下圖，當A閉合時，線圈通電，觸電下拉；觸點下拉，線圈斷電，觸點復位；觸電復位，線圈通電，觸點下拉看起來C的電壓如下：有周期的通斷，時鐘。所以數(shù)字電路都依賴于時鐘觸發(fā)，所有程序的執(zhí)行也都依賴于時鐘，所以時鐘對于單片機是不可缺少的。VCAV0單片機邏輯原

10、理觸發(fā)器時鐘是如何控制數(shù)字電路的呢？接下去我們再來看個電路。左邊或非門的輸出是右邊或非門的輸入，右邊或非門的輸出是左邊或非門的輸入。這是一種反饋。事實上，這和在振蕩器中類似，輸出又返回作為一種輸入。一開始只有左邊或非門輸出1，因為它的兩個輸入都是0。現(xiàn)在我們操作兩個開關(guān)看看。V或非門，輸入都為0時，輸出1單片機邏輯原理觸發(fā)器閉合上面開關(guān)，燈亮，斷開燈還是亮著。由于或非門一個輸入輸出就為0。V或非門，輸入都為0時，輸出1V或非門，輸入都為0時，輸出1單片機邏輯原理觸發(fā)器我們操作下面的開關(guān)看看，閉合燈泡滅了，斷開燈泡依舊不亮。V或非門，輸入都為0時，輸出1V或非門，輸入都為0時，輸出1單片機邏輯原

11、理觸發(fā)器我們來總結(jié)下： 閉合上面的開關(guān)使燈泡點亮，當再斷開時，燈泡仍然亮著。 閉合下面的開關(guān)使燈泡熄滅，當再斷開時，燈泡仍然不亮。電路的奇特之處是：有時當兩個開關(guān)都斷開時，燈泡亮著；而有時，當兩個開關(guān)都斷開時，燈泡卻不亮。當兩個開關(guān)都斷開時，電路有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，這樣的一個電路稱為觸發(fā)器。觸發(fā)器電路可以保持信息，換句話說，它有記憶性。有了觸發(fā)器我們時鐘就可以控制數(shù)據(jù)了，也可以將我們的電路跟時鐘聯(lián)系在一起。觸發(fā)器有多種，下圖是最簡單的RS觸發(fā)器。單片機邏輯原理鎖存器具體數(shù)據(jù)怎么保存呢，我們來看下這個電路：S和R輸入以及輸出Q均為0。只要保持位為0，數(shù)據(jù)端輸入對于電路輸出就沒有影響；當保持位為1時，

12、電路反映出數(shù)據(jù)端輸入的值。這個電路稱為電平觸發(fā)的D型觸發(fā)器，D表示數(shù)據(jù)端輸入。通常情況下保持位會標為“時鐘”。實際上圖中電路數(shù)據(jù)在時鐘高電平時輸出，也就是電平觸發(fā)，實際上用的為邊沿觸發(fā)。單片機邏輯原理鎖存器把多個鎖存器如下組合連接時可以構(gòu)成計數(shù)器，8位鎖存器構(gòu)成8位計數(shù)器。鎖存器，在數(shù)據(jù)跳變沿寫入單片機邏輯原理鎖存器跟8位加法器一樣，我們把8個鎖存器連接在一起就構(gòu)成了8位鎖存器。8位加法器與8位鎖存器組成電路就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)累加。D7.D0 8位鎖存器CLK Q7.Q0單片機邏輯原理存儲器存儲器的類型有很多，比如EEPROM,FLASH，SDRAM等，他們的作用都是存儲數(shù)據(jù)，當然各有優(yōu)缺點，RO

13、M，F(xiàn)LASH掉電也能保存數(shù)據(jù)，RAM不行，但讀寫速度快。比如電腦系統(tǒng)文件安裝在磁盤里，但是運行程序往往在內(nèi)存中運行，這就是為什么內(nèi)存大小會影響電腦運行速度。我們看下右圖的電路表示8X1的RAM單元電路，通過地址選擇一位數(shù)據(jù)信息讀寫，可以用如下表示。單片機邏輯原理存儲器兩個81 RAM陣列也可以按照與單個鎖存器連接相同的方式組合構(gòu)成RAM陣列。單片機邏輯原理自動操作前面我們提到加法器跟鎖存器可以構(gòu)成一個累加器，它可以在時鐘的控制下，累加我們的輸入數(shù)據(jù)。但是這個累加器存在一個待解決的問題，如果我要累加100個數(shù)據(jù)，得一個個輸半天，如果中間一個不小心輸錯了，又得重來。如果先把數(shù)據(jù)輸入到存儲器中，再

14、進行累加，那么修改數(shù)據(jù)將變得簡單。將它們結(jié)合在一起。單片機邏輯原理自動操作我們就有了這樣的電路圖結(jié)構(gòu)。振蕩器提供時鐘信號。在清零開關(guān)斷開后，當時鐘由0變?yōu)?時，將同時發(fā)生兩個事件：鎖存器保存來自加法器的結(jié)果，16位計數(shù)器加1，指向R A M陣列的下一個地址。當時鐘第一次由0變?yōu)?時，鎖存器保存第一個數(shù)，同時，計數(shù)器增加到0 0 0 1 h；當時鐘第二次由0變?yōu)?時，鎖存器保存第一個數(shù)與第二個數(shù)之和，同時計數(shù)器增加到0 0 0 2 h；依此類推單片機邏輯原理自動操作前面講的只是簡單的對存儲的數(shù)據(jù)進行累加，現(xiàn)在我如果想要這樣的操作，比如將RAM中0000H-0002H的3個數(shù)據(jù)累加存放到0003H

15、中，將0005H-0006H的2個數(shù)據(jù)累加存放到0006H中，將0007H-0009H的3個數(shù)據(jù)累加存放到000AH，停止。詳細的說，應(yīng)完成如下工作： 把地址0000h中的數(shù)裝載到累加器中 把地址0001h中的數(shù)加到累加器中 把地址0002h中的數(shù)加到累加器中 把累加器中的數(shù)保存到地址0003h中 把地址0004h中的數(shù)裝載到累加器中 把地址0005h中的數(shù)加到累加器中 把累加器中的數(shù)保存到地址0006h中 把地址0007h中的數(shù)裝載到累加器中 把地址0008h中的數(shù)加到累加器中 把地址0009h中的數(shù)加到累加器中 把累加器中的數(shù)保存到地址000Ah中 停止運行單片機邏輯原理自動操作怎樣完成這些工作呢？只是簡單地鍵入一組數(shù)到RAM中并期望自動加法器來正確操作是不可能的。對于R A M中的每個數(shù)字，我們還需要一個數(shù)字代碼來表示自動加法器所要做的工作：裝載，加，保存或停止。也許最容易的方法是把這些代碼存儲在一個完全獨立的RAM陣列中。這第二個RAM 陣列與最初的RAM陣列同時被訪問，但它存放的不是要加的