2.2 數字集成電路

無論多么復雜的單片機嵌入式系統，其硬件都是由單片機和若干基本電路單元組成的。本節對單片機系統中最常見的基本電路進行簡單介紹，這些電路是組成單片機嵌入式系統的硬件基礎。對于這些器件進一步的詳細分析和計算，請讀者參考有關的數字電路教材。

2.2.1 常用的邏輯門電路

最基本的門電路是與門、或門、非門，把它們適當連接可以實現任意復雜的邏輯功能。用小規模集成電路構成復雜邏輯電路時，最常用的門電路是與門（AND）、或門（OR）、非門（INVBUFF）、恒等門（BUFF）、與非門（NAND）、或非門（NOR）、異或門（XOR）。主要是因為這7種電路既可以完成基本邏輯功能，又具有較強的負載驅動能力，便于完成復雜而又實用的邏輯電路設計。

1.與門

與門是一個能夠實現邏輯乘運算的、多端輸入、單端輸出的邏輯電路。圖2.1所示為一個二輸入的與門的邏輯符號，其邏輯函數式是F=A·B（或AB）。該電路輸入與輸出之間的邏輯運算關系可用真值表表示，如表2.3所示。其記憶口訣為：有0出0，全1才1。

表2.3 二輸入與運算真值表

2.或門

或門是一個能夠實現邏輯加運算的多端輸入、單端輸出的邏輯電路。圖2.2所示為一個二輸入的或門的邏輯符號，其邏輯函數式是F=A+B。該電路輸入與輸出之間的邏輯運算關系可用真值表表示，如表2.4所示。其記憶口訣為：有1出1，全0才0。

表2.4 二輸入或運算真值表

3.非門

實現非邏輯功能的電路稱為非門，有時又叫反相緩沖器。非門只有一個輸入端和一個輸出端。圖2.3所示為一個非門的邏輯符號，其邏輯函數式是。該電路輸入與輸出間的邏輯運算關系可用真值表表示，如表2.5所示。

表2.5 非運算真值表

4.恒等門

實現恒等邏輯功能的電路稱為恒等門，有時又叫同相緩沖器。恒等門只有一個輸入端和一個輸出端。圖2.4所示為恒等門的邏輯符號，其邏輯函數式是F=A。該電路輸入與輸出間的邏輯運算關系可用真值表表示，如表2.6所示。同相緩沖器和反相緩沖器在數字系統中用于增強信號的驅動能力。

表2.6 恒等運算真值表

5.與非門

與和非的復合運算稱為與非運算。圖2.5所示為一個二輸入的與非門的邏輯符號，其邏輯函數式是。該電路輸入與輸出間的邏輯運算關系可用真值表表示，如表2.7所示。其記憶口訣為：有0出1，全1才0。

表2.7 與非運算真值表

6.或非門

或和非的復合運算稱為或非運算。圖2.6所示為一個二輸入的或非門的邏輯符號，其邏輯函數式是。該電路輸入與輸出間的邏輯運算關系可用真值表表示，如表2.8所示。其記憶口訣為：有1出0，全0才1。

表2.8 或非運算真值表

7.異或門

異或邏輯也是一種廣泛應用的復合邏輯。圖2.7所示為異或門邏輯符號，其邏輯函數式是。該電路輸入與輸出間的邏輯關系可用真值表表示，如表2.9所示。其記憶口訣為：相同出0，相異出1。

邏輯門電路是單片機外圍電路運算、控制功能所必需的電路。在單片機系統中經常使用集成邏輯電路（常稱為集成電路）。一片集成邏輯門電路中通常含有若干邏輯門電路，如7400為4重二輸入與非門，即7400內部有4個二輸入的與非門，其外部引線如圖2.8所示。

表2.9 異或運算真值表

高速CMOS集成邏輯門電路74HC邏輯系列集成電路具有低功耗、寬工作電壓、強抗干擾的特性，是單片機外圍通用集成電路的首選系列。常用的邏輯門基本上都有相應的HC型號。表2.10所示為單片機系統中部分常用HC型號的邏輯門電路。隨著單片機內部功能的不斷增強和硬件軟件化，外部所用的邏輯門電路將越來越少。

8.門電路的國標符號與國際流行符號

常用門電路國標符號與國際流行符號對照如圖2.9所示，本書圖例多以國際流行符號為主介紹。

表2.10 單片機系統中常用的門電路

2.2.2 集電極開路門輸出電路

TTL門電路中，因為輸出級采用了推拉式電路，無論輸出是高電平還是低電平，它的輸出電阻都很低，從而有效地降低了輸出級的靜態功耗并提高了驅動負載的能力。這種形式的電路稱為推拉式（Push-pull）電路或圖騰柱（Totem-pole）輸出電路。但推拉式輸出結構有其局限性：首先，它們的輸出端不能并聯使用，因為若一個門輸出高電平而另一個門輸出低電平，則并聯后將有很大的負載電流同時流過這兩個門的輸出級，可能使門損壞；其次，無法滿足對不同輸出高低電平的需要；第三，不能滿足驅動較大電流、較高電壓的負載的要求。克服上述局限的方法就是，門電路的輸出級采用集電極開路的三極管結構，制成集電極開路門電路（OC門，Open Collector Gate）。OC與非門的邏輯符號如圖2.10所示。

由于OC門的輸出端是開路的，即懸空的，故OC門在應用時輸出端需要外接一個上拉負載電阻到電源。通過選擇合適的電阻和電源電壓，既可以保證輸出的高、低電平合乎要求，又可使輸出端三極管的負載電流不會過大。

OC門在單片機系統中主要有兩個作用：線與和作為驅動器。幾個OC門的輸出端連在一起，輸出可以實現與的功能（F=F1 F2 …Fn），簡稱線與，如圖2.11所示。

OC門在單片機系統中，還常常作為控制執行機構。利用OC門可以控制一些較大電流的執行機構，用OC門和晶體管控制電動機的電路如圖2.12所示。7406是集電極開路反相器，由它控制晶體管的基極。由晶體管的集電極驅動繼電器線圈，電動機的啟動和停止由繼電器的觸點接通和斷開決定。當OC門反相器的輸入C為1時，其輸出為0，這時晶體管VT處于飽和導通狀態，繼電器線圈有電流流過，繼電器觸點閉合，電動機處于運轉狀態。當OC門反相器的輸入C為0時，其輸出為1，這時晶體管VT處于截止狀態，繼電器線圈無電流，繼電器觸點斷開，電動機處于停止狀態。在線圈兩端并聯二極管的作用是限制線圈兩端產生高電壓。此外，還可以用OC門直接驅動發光二極管和指示燈等顯示器件，電路如圖2.13所示。表2.11所示為單片機系統中常用的OC門電路。

表2.11 單片機系統中常用的OC門電路

2.2.3 常用組合邏輯電路

1.編碼器（ENC）

在邏輯電路中用二進制表示事物的狀態或數，簡稱代碼，為了區分一系列不同事物，通常將其中的每個事物用一個二值代碼表示。設計者規定用什么形式的代碼表示事物或數，稱為編碼。一般來說，編碼只是將每一個事件或數用特殊的符號表示，不需要有特殊的規則。實現編碼的組合邏輯電路稱為編碼器。目前，經常使用的編碼器有普通編碼器和優先編碼器兩類。

（1）普通編碼器

在普通編碼器中，任何時刻只允許輸入一個編碼信號，否則輸出將發生混亂。下面以2位普通編碼器為例，分析普通編碼器的工作原理。圖2.14所示為4-2編碼器。

4-2編碼器將計算機視為配有的4個外部設備：聲卡（A0）、硬盤驅動器（A1）、鼠標（A2）、網卡（A3）作為輸入信號，B0、B1作為編碼輸出。邏輯表達式為

其真值表如表2.12所示。

表2.12 4-2編碼器真值表

普通編碼器某一時刻只允許輸入一個編碼信號，如A1（A1=1）向CPU請求傳送數據，CPU根據接收的編碼B1B0=01，啟動硬盤驅動器，開始傳送數據。

由此可以看出，普通編碼器是多輸入、多輸出的組合邏輯電路：有多個輸入端N（1為有信號，0為無信號，或相反），多個輸出端n，兩者關系滿足2n=N。某一輸入與它的編碼輸出是唯一對應的關系。

（2）優先編碼器

在優先編碼器電路中，允許同時輸入兩個以上的信號。不過在設計優先編碼器時將所有的輸入信號按優先順序排隊，當幾個輸入信號同時出現時，只對其中優先權最高的一個進行編碼。

優先編碼器電路由優先排隊電路和普通編碼器組成。例如，圖2.15所示電路規定：A3優先權最高，A0優先權最低。優先排隊電路的邏輯表達式為

當A0=1有信號，且A1=A2=A3=0無信號時，B1B0=00有編碼輸出；當A1=1有信號，且A0=x（無論是0還是1均無所謂），A2=A3=0無信號時，B1B0=01有編碼輸出，依次類推，真值表如表2.13所示。A3的優先級最高。

常用的優先編碼器電路如表2.14所示。

表2.13 4-2優先編碼器真值表

表2.14 單片機系統中常用的優先編碼器電路

2.譯碼器（DEC）

譯碼器是編碼器的逆過程，編碼器和譯碼器成對存在。譯碼器的邏輯功能是將每個輸入的二進制編碼譯成對應的高、低電平輸出。譯碼器也是多輸入、多輸出的組合邏輯電路，多個輸入端數為N，則輸出端數為n=2N。

圖2.16所示是一個2-4線譯碼器電路，如果編碼輸入N=2，則譯碼輸出n=4。對于任意組輸入編碼，僅有與該編碼相對應的一個輸出端輸出為0，稱為譯中，其余所有輸出都為1，稱為未譯中。邏輯表達式為

當編碼輸入A0=0，A1=0時，B0=0（有譯碼輸出），B1=B2=B3=1（無譯碼輸出），依次類推，真值表如表2.15所示。

表2.15 2-4線譯碼器真值表

也可以對于任意組輸入編碼，僅有與該編碼相對應的一個輸出端輸出為1，稱為譯中，其余所有輸出都為0，稱為未譯中。

圖2.17所示為一個3-8線譯碼器電路，當A2A1A0=100，B4譯中，有譯碼輸出，A2A1A0=110，B6譯中，有譯碼輸出。

經常使用的3-8線譯碼器型號是74HC138，由3個地址輸入端A1、A2、A3，3個使能輸入端和8個輸出端組成，如圖2.18所示。輸入有小圈，表示低有效。

74HC138譯碼器輸出邏輯表達式為

使能輸入邏輯表達式為。當EN=1時譯碼器工作，3-8線譯碼器有輸出（0表示有譯碼輸出，1表示無譯碼輸出）。單片機系統中常用的譯碼（驅動）器電路如表2.16所示。

表2.16 單片機系統中常用的譯碼（驅動）器電路

3.數據選擇器和數據分配器

（1）數據選擇器

在數字系統的數據傳輸過程中，有時需要從多路輸入數據中選中某一路輸出，這時就要用到稱為數據選擇器（MUX）的邏輯電路。數據選擇器也稱多路選擇器或多路開關，是多路輸入、一路輸出的組合邏輯器件。選擇哪一路輸入傳送到輸出端，由當時的控制信號決定。MUX實現了多通道的數據傳送。

下面以4選1數據選擇器為例，說明其工作原理。

4選1數據選擇器是指，從4路輸入信號中有選擇性地選中某一路信號送到輸出端的組合邏輯電路。邏輯電路圖如圖2.19所示。4路輸入信號是D0、D1、D2和D3，地址選擇端是A和B，輸出端是Y。邏輯表達式為

輸入信號中的哪一路送到輸出端，決定于A和B的狀態：AB=00，Y=D0，信號D0送到輸出端；AB=10，Y=D1，信號D1送到輸出端；AB=01，Y=D2，信號D2送到輸出端；AB=11，Y=D3，信號D3送到輸出端。

（2）數據分配器

數據分配器也稱多路分配器，是一路輸入、多路輸出的組合邏輯器件。一路輸入信號傳送到哪一路輸出端，由當時的控制信號決定。數據分配器與數據選擇器的用途相反，它們配合使用，實現多通道的數據傳送。1-4數據分配器是指1路輸入、4路輸出的組合邏輯電路，邏輯電路圖如圖2.20所示。

譯碼器也可以作為數據分配器使用，只要將譯碼器的使能端連接數據輸入端即可實現數據分配器的功能，如圖2.21所示。

單片機系統中常用的數據選擇器和數據分配器，如表2.17所示。

表2.17 單片機系統中常用數據選擇器和數據分配器

4.三態門與傳輸門

（1）總線

總線（BUS）是一組導線，是數據傳送的公共通路。在總線結構的計算機中，多個部件掛在總線上，共享總線，多個部件分時使用總線，進行部件間的數據傳送。所謂分時使用總線，就是在某一時刻，只允許一組數據發送到總線上，使相應的部件接收總線上的數據。

（2）特殊控制開關—三態門

在比較復雜的系統中，為了能在一條傳輸線上傳送不同部件的信號，使用的相應的邏輯器件稱為三態門。三態門是一種擴展邏輯功能的輸出級，也是一種控制開關。三態門中恒等門和非門的邏輯符號如圖2.22所示，真值表如表2.18所示。

表2.18 恒等門和非門真值表

三態門結構是由普通邏輯門增加一個控制信號構成的。圖2.22（a）所示為由恒等門和控制開關（為控制信號）組成的三態恒等門。在時，開關接通，三態門傳輸信號，輸出等于輸入，稱為工作狀態；在時，開關斷開，三態門不能傳輸信號且有很高的輸出阻抗，稱為高阻態。圖2.22（b）所示為由非門和控制開關（為控制信號）組成的三態非門。在時，開關接通，三態門傳輸信號，輸出等于輸入的非，稱為工作狀態；在時，開關斷開，三態門不能傳輸信號且有很高的輸出阻抗，稱為高阻態。

2.2.4 常用時序邏輯電路

1.鎖存器

由若干電平觸發的D觸發器構成的一次能存儲多位二進制代碼的時序邏輯電路，叫做鎖存器。

8位鎖存器74HC373/74HC573（圖中只畫出4位）的邏輯圖如圖2.23所示。其中使能端G加入CP信號，D為數據信號。輸出控制信號為0時，鎖存器的數據通過三態門輸出。表2.19所示為74HC373/74HC573的功能表。Qn為1Q、2Q等的初始狀態（初態），74HC373與74HC573僅僅是引腳排列位置不同，74HC573的輸入引腳和輸出引腳分別排列在芯片兩邊，使用較74HC373方便。

表2.19 74HC373/74HC573功能表

鎖存器的工作特點為數據信號有效滯后于時鐘信號有效，這就意味著時鐘信號先到，數據信號后到。

74HC373/74HC573常作為單片機低8位地址總線鎖存器。在單片機進行外部擴展時，74HC373/74HC573可以作為外部I/O口擴展器件。

2.寄存器

由若干正沿D觸發器構成的一次能存儲多位二進制代碼的時序邏輯電路，叫做寄存器，也稱為數據觸發器。

8位寄存器74HC374/74HC574（圖中只畫出4位）的邏輯圖如圖2.24所示。由于它具有三態門控制輸出，因而其輸出適合于掛接在數據總線上。表2.20所示為74HC374/74HC574功能表。圖2.25所示為74HC374/74HC574寄存器時序圖。

表2.20 74HC374/74HC574功能表

寄存器的工作特點為時鐘信號有效滯后于數據信號有效，這就意味著數據信號先建立，時鐘信號后建立，在CP上升沿時刻打入到觸發器。

寄存器是計算機系統或其他數字系統中使用最多的時序邏輯構件，可以說是無處不在的。它用來保存一個字，這個字一般由n位二進制代碼組成。

單片機系統中常用的鎖存器和寄存器如表2.21所示。

表2.21 單片機系統中常用的鎖存器和寄存器