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第一章 數字電路基礎知識 1 數字值 數字值以整數值的形式表示。用二進制數制表示的數字值稱為二進制數。微控制器能夠理解，例如：“電壓的高低”，“電流是否流動”，“按鍵是否按下”，“1還是0”等一些問題。
 數字值
2 數字值：二進制和十進制
讓我們來思考一下二進制數和十進制數之間的關系。首先，我們來看看日常使用的十進制數。例如，如果數字是1359（十進制），加1，就變成了1360。這樣，當十進制數超過9時，它就變成了10，也就發生了進位。1359可以如圖中的公式進行拆解。這里使用的10^3、10^2、10^1、10^0稱為“權重”。
現在，讓我們看看二進制數。二進制是由0和1組成的數字，當它變成2時，就會發生進位。例如，我們將權重添加到1110（二進制）。在二進制數時，權重變成了2^3、2^2、2^1、2^0。計算這個公式時，它可以轉換為十進制數。在這種情況下，8＋4＋2＋0就變成了14。這樣，十進制數最多可增加到1、10、100、1000位，而二進制數最多可增加到1、2、4、8位。
 
3 數字值：二進制數據單位
微控制器使用的數據有單位。當數據用二進制數表示時，一個數字稱為一位。可由4位、8位、16位、32位等處理。1024位稱為1K（Kilo）位。請注意，1K并不是1000。半字節（nibble）是一個4位的二進制數，代表1個半字節（4位）的數據。字節（byte）是一個8位的二進制數，代表1個字節（8位）的數據。此外，還可以使用“字”。沒有“1個字＝多少位”的規定，1個字代表1個數據。例如，在4位微控制器中，4位數據有時稱為1個字；在16位微控制器中，16位數據有時稱為1個字。因此，要提前查看在微控制器中1個字的位數是多少，以及如何處理它們。
 二進制數據單位
4 數字值：數據的表示法
下表是十進制數、二進制數和十六進制數的對比表。例如，數字8可以用1位十進制數表示，但二進制數必須用4位表示。256需要十進制數為3位，二進制數為9位。因此，我們采用十六進制數，使二進制數的處理更容易。因為二進制數的4位可以用十六進制數中的1位來表示，所以處理起來很方便。  十進制數和二進制數、十六進制數的數據表示法
5 數字值：數據的轉換方法本節內容中，我們將介紹如何輕松地將十進制數轉換成二進制數和十六進制數。要將十進制數100表示為二進制數，首先要用100除以2。它能被50整除，余數為0。然后，用50除以2得到25，再用25除以2，去掉余數1，繼續計算，直到不被整數除掉為止。計算結果的余數從下往上逆序排，便將其轉換為了二進制數。當十進制數100轉換為二進制數時，就變成了（1100100）。 那么如何轉換為十六進制數呢？如果用100除以16，就是6，余數為4。因此，當十進制數100轉換為十六進制數時，就變成了（64）。如下：
6 邏輯電路下面，我們來了解一下微控制器的邏輯電路。這里的邏輯是指，按照某個理論，執行電子電路所處理的數字信號的輸入與輸出之間的關系。執行該操作的電子電路稱為邏輯電路。微控制器由極其復雜的邏輯電路組成。每個邏輯電路都由三種基本邏輯元素組合而成。  三種基本邏輯元素
7 邏輯電路：與門（AND）電路與門（AND）也稱為邏輯與門電路。與門（AND）邏輯可以看作是一個在滿足所有輸入條件時輸出信號的電路。例如，當你想打開燈泡時，即使開關A為“ON”時，如果開關B為“OFF”，燈泡也不亮。相反，即使開關B為“ON”時，如果開關A“OFF”，燈泡仍然不亮。所以，這意味著只有當開關A和B都為“ON”時，燈泡才會亮。如真值表所示，只有當A和B都輸入1時，輸出Y才為1。電路圖可用MIL符號（*）表示，如圖所示。*由美國軍用標準“MIL標準”定義的數字電路圖中使用的符號。MIL標準（軍用標準）：美國國防部統一的軍事用品采購標準。  與門電路
8 邏輯電路：或門（OR）電路或門（OR）電路稱為邏輯或門電路。或門（OR）電路可以看作一個輸入任何信號時都會輸出的電路。和與門一樣，我們以開燈泡來舉例說明。與門（AND）電路是串聯的，但或門（OR）電路按鍵是并聯的。換言之，如果A或B中的任何一個為“ON”時，燈泡都會亮。如真值表所示，向A或B輸入1時，輸出Y都為1。原理圖可用MIL符號表示，如圖所示。  或門電路
9 邏輯電路：非門（NOT）電路非門（NOT）電路也稱為邏輯非門電路。向A輸入1時，輸出變為0，向A輸入0時，輸出變為1。這樣，輸入信號反轉后輸出。原理圖可用MIL符號表示，如圖所示。 與非門（NAND）電路由非門（NOT）電路和與門（AND）電路組合而成。 或非門（NOR）電路由非門（NOT）電路和或門（OR）電路組合而成。  非門電路
10 邏輯電路：異或(XOR)電路通過結合以上所述基本邏輯電路，可以配置具有特定功能的電路。此處，我們將說明用于比較器的異或（XOR）（*）電路，該比較器用于檢查數據不匹配和加法器。圖中，開關按下的狀態定義為打開，拉起的狀態定義為關閉。當開關A為“ ON”時，上電路接通，下電路斷開。反過來，當開關A為“ OFF”時，下電路接通，上電路斷開。當開關B為“ ON”時，上電路斷開，下電路接通。反過來，當開關B為“ OFF”時，下電路斷開，上電路接通。如圖所示，如果將開關A、B組合在一起，則當A、B均為“ ON”或“ OFF”時，無電流流過，燈泡不亮。只有當A、B不匹配時（例如A為“ ON”且B為“ OFF”），電路才會接通，燈泡才會亮。如真值表所示，向A或B輸入1時，輸出Y都為1。原理圖可用MIL符號表示，如右圖所示。* 為Exclusive OR的縮寫  異或電路
11 邏輯電路：三態緩沖器（1）在一般邏輯元件中，輸出信號由輸入信號決定，狀態為“1”或“0”。但是，有些邏輯元件除了“1”和“0”之外，還有其他狀態。例如，下圖中的電路與非門（NOT)電路相似，但與非門（NOT）電路不同。非門（NOT）電路通過將輸入信號反相輸出數據，該電路將輸入數據原樣輸出。  圖1.輸出高電平的情況如果控制部分設置為“1”（高電平），則輸入數據按原樣輸出。但是，如果控制部分設置為“0”（低電平），如圖2所示，則輸出部分將斷開連接，數據無法輸出。這種斷開狀態稱為高阻抗。像這樣可以有“1”（高電平）狀態、“0”（低電平）狀態、高阻抗狀態這三種輸出狀態的電路，稱為三態輸出。  圖2.輸出高阻抗狀態的情況
12 邏輯電路：三態緩沖器（2）當通過一條信號線發送雙向信號時使用該電路。通過這種方式配置電路，將控制信號從“0”切換到“1”或從“1”切換到“0”，就可以切換信號的方向。  三態緩沖器（雙向數據傳輸）
13 邏輯電路：邏輯電路應用實例微控制器采用以上所述各種邏輯電路的組合。在這些邏輯電路中，如果輸入發生變化，輸出也會同時發生變化，其數據無法存儲。另一方面，存儲過去輸入信息的電路稱為時序電路（反饋電路）。時序電路的輸出不僅取決于當前時刻的輸入，還取決于電路之前的狀態。觸發器（flip-flop）電路是與微控制器密切相關的存儲電路的原型。flip-flop一詞原意是指“噼啪聲”或“狀態突然變化”。其還有一個名稱，叫做雙穩態多諧振蕩器。顧名思義，它有兩種穩定的狀態。它由決定狀態的輸入條件設置。此狀態被保留或存儲，直到給出決定其他狀態的輸入條件。觸發器有RS、T、D、JK等，取決于0和1的存儲方式。  半加器電路
14 邏輯電路：RS觸發器電路RS觸發器的“R”和“S”分別是“Reset”（復位）和“Set”（設置）的縮寫。要使觸發器具有記憶功能，需要將輸出狀態反饋給輸入端，從而保持輸出狀態。當R和S都是“0”時，如果Q是“1”，則保留“1”，如果Q是“0”，則保留“0”。Q存儲“1”的狀態稱為設置狀態，存儲“0”的狀態稱為復位狀態。輸出端有Q和Q~，但是Q和Q~之間的關系始終相反。在真值表的運行條件中有禁止條件，但如果在該條件下使用，則無法確定下一個輸出。下圖是RS觸發器電路的時序圖。設置輸入信號“1”設置為S時，輸出端Q被設置。此后，如果S和R都繼續為“0”，則Q保持設置狀態。接下來，如果R變為“1”，則被復位，復位狀態保留，直到輸入信號再次被設置為S。這樣，RS觸發器電路就具有將瞬時信號存儲為數據的特性。  RS觸發器電路
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