走進單片機世界

　　　當今大家對計算機已經不陌生了。從鋪天蓋地的計算機學習班廣告到有關任職必須具備計算機知識的通知,已經使我們自覺不自覺地進入了計算機的世界。但是還有一類計算機我們可能并不熟悉,它就在我們面前,這就是單片機。單片機顧名思義就是將計算機集成到一個芯片上,正因為如此,它已經深入到電飯堡:洗衣機、錄象機、電話、汽車、火車、飛機、火箭、醫療器械等各個地方,甚至在微機里也有單片機在默默地工作。因此了解單片機的工作原理、掌握它的使用方法就成了十分有意義的事情。本刊從本期開始,系統地、通俗地介紹這方面的知識。

一、從晶體管到單片機

　　 為了有個對比,在搭乘單片機列車之前,先回顧一下我們已經熟悉的傳統的電子世界。在傳統的電子世界里,電子管已經退役多時了,雖然現在“膽機”在音響發燒友中間又流行起來,但是在控制領域電子管已經遠遠的離開了舞臺,我們不再花時間討論。晶體管是電子愛好者們熟悉的器材,我們對于二極管的整流原理和三極管的放大原理非常熟悉,但是對于它們所構成的邏輯電路是否也很熟悉呢？我們不妨共同做一簡要復習。

　　　用二極管構成的與門電路,它是怎樣工作的？讀者不妨自己先敘述一下,看看我們想的是否相同。當A和B都接到地時,C端由于兩個二極管都導通,二極管的導通壓降是很小的,可以近似認為是0伏,也就是處于低電平。當A接地,B接到+5V時,C端沒有發生根本變化。這是因為二極管D1的導通使C點仍為低電平,B點雖然接到+5V, 但是D2未導通,所以C點仍為低電平。當A接十5V,B接地 時情況同樣如此。只有A和日同時接到+5V時,兩只二極管都不導通了,此時C點升到+5V。

　　　結論是: 與門電路的輸入端只有一個接低電平,輸出就為低電平,只有全部輸入都為高電平時,輸出才為高電平。簡單說就是:A為高“與”B為高,輸出才為高。把電路改變一下接法就構成了或門電路,工作原理 不再贅述,只把結論寫在這里: 或門電路的輸入端只要有一個接高電平,輸出就為高電平, 只有輸入端全部接低電平時,輸出才為低電平。簡化為:A為高 “或”B為高,輸出就為高。

　　　還有一種“非”門電路:當輸入為高時,輸出為低;當輸入為低時,輸出為高。用一個三極管就可以構成非門電路。當三極管的基極輸入為高電平時三極管飽和,集電極輸出近似為0V也就是低電平;反之,當基極接低電平時三極管截止,集電極輸出接近+5V為高電平。輸入和輸出總是相反,故稱之為非門。

　　　與、或、非電路是邏輯電路的基本形式。由理論可知:
　　　一切邏輯電路都可以通過這三種基本邏輯電路的組合形成。在邏輯電路中為了突出電路之間的邏輯關系,不再關心是用什么器件產生的邏輯關系,也不考慮電路的輸入是接到三極管的基極還是接到二極管的陽極,而是用一個邏輯符號表示之間的聯系。三種基本邏輯電路對應的符號標在圖的下部。

　　　隨著技術的進步和社會發展的需要,直接由三極管構成邏輯電路在體積和功能上已經不能滿足需要了,于是產生了集成電路。早期集成電路----一片芯片集成了幾個或幾十個晶體管,稱之為小規模集成電路。后來集成度提高到幾百,幾千個晶體管, 稱之為大規模集成電路,現在一個芯片可以集成相當于幾十萬、幾百萬或更多的晶體管稱為超大規模集成電路。這樣從電子管時間算起,電子電路經歷了四代變遷。

　　　從集成電路來看,比晶體管在性能上有極大提高,體積大 大縮小、功能也更加完善,單以74類門電路為例就有LLS、HC等不同系列,每個系列都有幾百個品種。用它們可以組合出各種各樣的電路。邏輯集成電路的出現為邏輯電路的廣泛應用打下了基礎。

　　　邏輯電路可以分為兩種類型:組合電路和時序電路。 像上面介紹的單個與、或、非門電路就屬于“組合電路”。 這類電路的特點是:輸出狀態跟隨輸入狀態變化,輸入狀態一旦發生變化,輸出立即改變。并且輸出狀態和輸入狀態一一對 應:每一種輸入狀態對應唯一的輸出狀態。

　　　另一類邏輯電路稱“時序電路”;這類電路的輸出不但和當時的輸入狀態有關,還與以前的狀態有關。計數器就是一種典 型的時序電路。計數器的輸入端每接受一個脈沖,輸出端的狀態就發生一次變化,并且輸出的狀態是與前一次狀態有關的。以 74LS161為例,這個集成電路有一個時鐘輸入端、四個輸出端和一些輔助端。當按器件規定接好線路后,在時鐘端每輸入一個脈沖,輸出狀態就變化一次。最初清零后四個輸出端QA、 QB、QC、QD均為0。第一個脈沖到來后QA=1,其余輸出仍為0。第二個脈沖到來后QA=0、QB=1,其余為0。依次輸入脈沖。

　　　可以看到從同一個輸入端進入信號,輸出卻有不相同變化。 計數器的應用非常廣泛。將前端接上機械開關或光電開關就可作為流水線產品計數;把標準時間脈沖作為輸入,就可以作為精確的定時器。

　　因為欄目所限,基礎部分不能寫的很多、很細,那些知識可以由三極管原理、數字電路知識等類似的學習材料得到,不能完全包含在本欄目的范圍內。同樣原因,對于單片機的原理也不會是全面的、系統的講解,而是從使用者的角度,將最基本、最常角的內容做一簡單介紹,達到“人門”的目的。

　　　預計通過閱讀這個欄目,配合基本練習,可以掌握單片機的基本知識;學會使用單片機的基本方法;能夠進行簡單程序(幾十行)的閱讀;基本程序(上百行)的編寫,為進一步深造打下基礎。需要強調的一點是:計算機(自然包括單片機)是實踐性很強的一門技術。一定要通過實踐來理解基本原理,至少要將文中介紹的實驗親手實踐一遍,最好舉一反三用自己編寫的程序驗證所學習的知識。到底情況如何,可以通過實踐體會一下。 如果真的還有什么困難,我也愿和大家一起克服,共同進入單片機世界。

　　　在本次駛往單片機世界的列車即將啟動的時候,請旅客檢查一下:自己希望乘座的列車車次、日期、方向是否和本車相符,如果有誤請及時更換,以免延誤您的行程。