单片机原理与嵌入式系统设计——原理、应用、Protues仿真、实验设计第2章.ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,2,章 嵌入式系统基础知识,计算机是微电子学与计算数学相结合的产物。微电子学的基本元器件及其集成电路形成了计算机的硬件基础，而计算数学的计算方法与数据结构则构成了计算机的软件基础。本章简要阐述与计算机有关的数学知识及嵌入式计算机系统中最基本的单元电路。,2.1,数制与编码,2.2,数字集成电路,2.3,存储器电路,2.4,电源电路,2.5,时钟与复位电路,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,任意一个十进制数,(S),10,，可以表示为,(,S,),10,=,k,n,-,1,10,n,-,1,+,k,n,-,2,10,n,-,2,+,k,0,10,0,+,k,-,1,10,-,1,+,k,-2,10,-,2,+,k,-,m,-1,10,-,m,-,1,(2001.9),10,=2 10,3,+0 10,2,+0 10,1,+1 10,0,+9 10,-,1,例：,2.,二进制计数制,2.1.1,进位计数制,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,-,1,2,n,-,1,+,k,n,-,2,2,n,-,2,+,k,0,2,0,+,k,-,1,2,-,1,+,k,-,2,2,-,2,+,k,-,m,-1,2,-,m,-,1,例：,(1101.101),2,=,l2,3,+1 2,2,+0 2,1,+1 2,0,+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,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,=,k,n,-,1,16,n,-,1,+,k,n,-,2,16,n,-,2,+,k,0,16,0,+,k,-,1,16,-,1,+,k,-2,16,-,2,+,k,-,m,-1,16,-,m,-,1,例：,(8AE6),16,=816,3,+A16,2,+E16,1,+616,0,用,A,F,表示,10,15,(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,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,。,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。,例：,(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,9,0.6,1 6,9.6,取整数,9,1.,十进制转换成十六进制,转换结果，可得,(0.7875),10,=(0.C99),16,2.,十六进制转换成十进制数,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。,(1C4.68),16,=116,2,+C16,1,十,416,0,+616,-,1,+816,-,2,=256+192+4+0.375+0.03125=(452.40625),10,例：,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,编码：,n,位二进制数可以组合成,2,n,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,22,页,表,2.1,两种,4,位二进制编码,三、,二,-,十进制码（,BCD,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）。,(6840),10,=(0110 1000 0100 0000),BCD,例：,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,23,页,表,2.2 ASCII,码字符表,2.2,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,1,、与门,2.2.1,常用的逻辑门电路,与运算符，也有用,“,”,、,“,”,、,“,&,”,表示,与运算表达式,Y=A,B=AB,与门逻辑符号,&,A,Y,B,Y,A,B,A B Y,0 0 0,0 1 0,1 0 0,1 1 1,与运算真值表,与逻辑功能口诀：,有,“,0,”,出,“,0,”,；,全,“,1,”,出,“,1,”,。,或运算符，也可用,“”、“”表示,或运算表达式,Y=A,+B,或门逻辑符号,1,A,B,Y,Y,A,B,2,、或门,或逻辑功能口诀：,有,“,1,”,出,“,1,”,；,全,“,0,”,出,“,0,”,。,A B Y,0 0 0,0 1 1,1 0 1,1 1 1,或运算真值表,“”非逻辑运算符,非运算表达式,Y=A,非门逻辑符号,1,A,Y,Y,A,3,、非门,A Y,0 1,1 0,非运算真值表,4,、恒等门,运算表达式,Y=A,恒等门逻辑符号,1,A,Y,Y,A,A Y,0 0,1 1,恒等门运算真值表,5,、与非门,A B Y,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,与非逻辑功能口诀：,有,“,0,”,出,“,1,”,；,全,“,1,”,出,“,0,”,。,&,A,Y,B,Y,A,B,与非门逻辑符号,或非逻辑功能口诀：,有,“,1,”,出,“,0,”,；,全,“,0,”,出,“,1,”,。,A B Y,0 0 1,0 1 0,1 0 0,1 1 0,或非逻辑真值表,6,、,或非门,或非逻辑表达式,或非门逻辑符号,1,A,B,Y,Y,A,B,异或逻辑功能口诀：,同为,“,0,”,；,异为,“,1,”,。,7,、异或门,A B Y,0 0 0,0 1 1,1 0 1,1 1 0,异或逻辑真值表,异或逻辑表达式,异或门逻辑符号,Y,A,B,=1,A,Y,B,A,Y,B,逻辑代数中的逻辑运算,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。,2.2.2,集电极开路门输出电路,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,应用时输出端要接一上拉负载电阻,R,L,1,、线与,OC,门的主要作用：,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。,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,2,n,=,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,B0,0,0,0,1,0,0,0,0,1,0,0,1,0,1,0,0,1,0,1,0,0,0,1,1,2,）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。,A,3,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,B0,0,0,0,1,0,0,0,0,1,x,0,1,0,1,x,x,1,0,1,x,x,x,1,1,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,=2,N,。,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：,2-4,线译码器真值表,A0,A1,B0,B1,B2,B3,0,0,0,1,1,1,0,1,1,0,1,1,1,0,1,1,0,1,1,1,1,1,1,0,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,）,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,74HC138,4-16,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,8-1,数据选择器,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,74HC155,2-4,数据分配器,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。,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,EN,A,F,0,0,0,0,0,1,0,1,1,0,1,0,1,x,高阻,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。,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。,74HC373/74HC573,功能表,输,出,控,制,G,D,输,出,0,1,1,1,0,0,0,0,x,Q,n,1,x,x,高阻,8,位锁存器,74HC373/74HC573,（图中只画出,4,位）,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,0,1,1,0,0,0,0,0,x,Q,n,1,x,x,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,74HC75,高电平,6D,型触发器,74HC174,上升沿,带清,0,端,8D,型触发器,74HC273,上升沿,带清,0,端,8D,型触发器,74HC574,上升沿,8D,型锁存器,74HC573,高电平,2.3,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。,1,）引脚图,3.,静态,RAM 62256,2,）工作方式,方,式,功,能,0,0,1,写入,D0,D7,数据写入,62256,0,1,0,读出,读,62256,数据到,D0,D7,1,x,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,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。,2.3.2 ROM,存储器,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,）,8,1024,16,1024,32,1024,引脚数,28,28,28,最大维持电流,(,m,A,),1,1,1,最大工作电流,(,mA,),30,30,30,存取时间,(ns),100,100,100,工作电压,(V),5,5,5,2,）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,2.4,电源电路,电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础,，,具有极其重要的地位，但却往往被忽略。如果电源系统处理得好，整个系统的故障往往减少了一大半。,电源供电模块以电源稳压部分为主体，外围辅助部分可包含过压过流保护部分、电压监控部分以及其他部分等。本节介绍电源稳压部分，其他部分参考有关书籍。,2.4,电源电路,电源供电模块概述,电源供电模块包括前级和末级部分，如图,2.35,所示。,图,2.35,电源供电模块示意图,2.4,电源电路,前级接嵌入式系统的主供电电源，可以是交流,AC220V,、设备电源、电池或电脑的,USB,电源之一，,末级的输入接前级的输出，末级由集成稳压电路组成，末级集成稳压电路的作用就是在供电电源电压波动和负载变动时，其输出的直流电压不受影响。,末级是本节讨论重点,2.4,电源电路,集成线性稳压电路,图,2.37 78/79,系列固定输出典型应用电路,2.4,电源电路,低压差线性稳压电路,2.4,电源电路,LM1117,系列低压差线性稳压电路,LM1117,也是一款低压差集成电路，可固定输出电压，也可调节输出电压，输出电压范围为,1.5,15 V,，封装形式和用法与,LM1085,基本相同，其不同点如下：,输出固定电压值较多，电压低，精度高。固定输出集成电路有,LM1117-1.5,、,LM1117-1.8,、,LM1117-2.5,、,LM1l17-2.85,、,LM1117-3,、,LM1117-3.3,、,LM1117-3.5,、,LM1117-5,。,2.4,电源电路,开关型稳压电路,采用线性稳压器件（如,78xx,系列三端稳压器件）作为电压调节和稳压器件，可将较高的直流电压转变,MCU,所需的工作电压。这种线性稳压电源的线性调整工作方式在工作中会有大的“热损失”,而开关电源调节器件则以完全导通或关断的方式工作。因此，工作时要么是大电流流过低导通电压的开关管、要么是完全截止而无电流流过。因此，开关稳压电源的功耗极低，,2.4,电源电路,开关型稳压电路,图,2.40 LM2576,构成的基本稳压电路,2.5,时钟与复位电路,时钟电路,嵌入式处理器的工作是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的，能产生时钟脉冲的电路称为时钟电路。对于同一系列、相同体系结构的嵌入式处理器而言，时钟脉冲的频率（相当于,PC,的主频）越高，,CPU,的处理速度就越快。,2.5,时钟与复位电路,内部时钟方式,该电路产生的时钟信号的振荡频率就是晶振的固有频率，用,f,osc,表示。,2.5,时钟与复位电路,外部时钟方式,外部时钟方式电路接线,2.5,时钟与复位电路,复位是嵌入式系统的初始化操作。嵌入式系统启动运行时，都需要首先复位，其作用是使微处理器和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。,嵌入式处理器芯片都有一个引脚为复位信号输入端。不同的处理器芯片要求的复位信号不一定相同，可分为高电平复位信号和低电平复位信号，这种高低电平信号往往还需要具有一定的负载驱动能力。,2.5,时钟与复位电路,上电,+,按键复位电路,2.5,时钟与复位电路,同步复位电路,2.5,时钟与复位电路,带电源监控的多功能复位电路,-,看门狗复位电路,RC,阻容复位电路，复位信号波形差，复位不可靠，特别是在快速开关机时容易出现复位不良的现象。为了保证嵌入式系统更可靠地工作，复位电路可采用带电源监控的微处理器复位监控电路，又称看门狗复位电路。,2.5,时钟与复位电路,带电源监控的多功能复位电路,-,看门狗复位电路,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。,本章小结,电源供电模块的稳定可靠是嵌入式系统平稳运行的前提和基础。如果嵌入式系统的电源供电模块设计合理且稳定可靠，那么整个系统的故障往往就会减少一大半。,线性稳压电路中三端固定式集成稳压器因线路简单，最为常用。,开关稳压电源的功耗极低，其平均工作效率可达,70%,90%,。,本章小结,时钟脉冲产生方法分为内部时钟方式和外部时钟方式。,复位作用是使微处理器和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。,看门狗复位电路除了提供可靠的、足够宽的高低电平的复位信号外，同时具备电源监控、看门狗定时器功能，,本章作业：,1,、,2,、,4,、,6,、,10,、,11,、,14,