单片机中的锁存器工作原理解析及其应用

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这个问题非常有代表性&＃xff0c;我相信很多初学者都会有这个疑问&＃xff1a;为什么只是简单地将对应寄存器的相应位设置一下&＃xff0c;就可以让单片机做不同的动作(例如&＃xff0c;端口输出高低电平、定时器定时溢出等等)。今天我们就来简单了解一下这方面的知识。

单片机内部主要由数字电路组成。所以如果我们想要了解单片机的内部结构及工作原理&＃xff0c;还是需要学一些数字电路方面的知识的。这里简单介绍一下单片机中常用的基础电路。

与门电路如下图所示。

它是一个由二极管和电阻构成的电路&＃xff0c; 其中A、 B为输入端&＃xff0c; Y为输出端&＃xff0c; &＃43;5V电压经R1、 R2分压&＃xff0c; 在E点得到3V的电压。

工作原理&＃xff1a;

当A、 B两端同时输入低电平(0V) 时&＃xff0c; 由于E点电压为3V&＃xff0c; 所以二极管VD1、 VD2都导通&＃xff0c; E点电压马上下降到0.7V (低电平) &＃xff0c; 即当A、 B端均输入低电平“0”时&＃xff0c; Y端输出低电平“0”。

当 A 端输入低电平(0V) 、 B 端输入高电平(5V) 时&＃xff0c; 由于E点电压为3V&＃xff0c; 所以二极管VD1马上导通&＃xff0c; E点电压下降到0.7V。此时VD2正端电压为0.7V&＃xff0c; 负端电压为5V&＃xff0c;VD2处于截止状态&＃xff0c; 即当A端输入低电平“0”、 B 端输入高电平“1”时&＃xff0c; Y端输出低电平“0”。

当A端输入高电平(5V) 、 B端输入低电平(0V) 时&＃xff0c; VD1截止&＃xff0c; VD2导通&＃xff0c; E点电

压为0.7V (低电平) &＃xff0c; 即当A端输入高电平“1”、 B端输入低电平“0”时&＃xff0c; Y端输出低电平“0”。

当A、 B端同时输入高电平(5V) 时&＃xff0c; VD1、 VD2均不能导通&＃xff0c; E点电压为3V(高电平) &＃xff0c; 即当A、 B两端都输入高电平“1”时&＃xff0c; Y端输出“1”。

由此可见&＃xff0c; 与门的特点是&＃xff1a;只有输入端都输入高电平时&＃xff0c; 输出端才会输出高电平&＃xff1b;只要有一个输入端输入低电平&＃xff0c; 输出端就会输出低电平。

单片机内部有大量寄存器&＃xff0c; 寄存器是一种能够存储数据的电路&＃xff0c; 由触发器构成。

触发器是一种具有记忆存储功能的电路&＃xff0c; 由门电路组成。常见的触发器包括&＃xff1a;RS 触发器、 D 触发器和 JK触发器等&＃xff0c; 其中D触发器最为常用。如下图所示。

从图中可以看出&＃xff0c; D触发器的端子包括&＃xff1a;输入端D、 输出端Q、 反相输出端 、 时钟脉冲输入端CLK、 置“0”端R和置“1”端S。

数据存储过程&＃xff1a;当D触发器的D端输入数据“1”时&＃xff0c; 数据并不能马上被存入触发器&＃xff0c; 只有CLK端时钟脉冲信号上升沿(即低电平转为高电平时) 到来时&＃xff0c; “1”才能被存入触发器&＃xff0c; 存入后Q端输出“1”&＃xff0c; 端输出“0”。也就是说&＃xff0c; 只有时钟脉冲上升沿到来时&＃xff0c; D触发器才能将输入端的数据存储起来&＃xff0c; 并从Q端输出。

D触发器的置“0”和置“1”&＃xff1a;当置“0”端R为低电平时&＃xff0c; 触发器被置“0”&＃xff0c; 即Q端为“0”&＃xff1b;当置“1”端S为低电平时&＃xff0c; 触发器被置“1”&＃xff0c; 即Q端为“1”。

寄存器是单片机内部的基本存储单元&＃xff0c; 由触发器构成&＃xff0c; 一个触发器就是1位寄存器。下图所示是一种由D触发器构成的4位寄存器。

在工作时&＃xff0c; 寄存器先让清0线为低电平&＃xff0c; 该低电平送到各触发器的CLR端(实际为D触发器的R端) &＃xff0c; 将各触发器清0&＃xff0c; Y3Y2Y1Y0&＃61;0000&＃xff1b;然后将数据送到各触发器输入端&＃xff0c;当CLK端的时钟脉冲上升沿到来时&＃xff0c; 输入端的数据就被存入到各触发器中&＃xff0c; 并从输出端输出。

锁存器也是一种能存储数据的电路。其特点是当锁存信号没有到来时&＃xff0c; 输出端的状态随输入端状态的变化而变化&＃xff1b;当锁存信号来到时&＃xff0c; 输入端的数据被锁存到输出端&＃xff0c; 即当输入端的信号再变化时输出端也不会发生变化。

以下图为例来说明锁存器的工作原理。

当锁存器的控制端EN&＃61;1时&＃xff0c; 锁存器输出端Y与输入端A的状态保持一致&＃xff0c; 即A端数据变化时&＃xff0c; Y端数据也变化&＃xff1b;当锁存器的控制端EN由“1”变为“0”时&＃xff0c; 输入端此刻的数据马上被锁存到输出端&＃xff0c; 在EN&＃61;0期间&＃xff0c; 输出端的数据始终保持不变&＃xff0c; 不会随输入端而变化&＃xff1b;当EN又变为“1”时&＃xff0c; 即取消锁存&＃xff0c; 输出端又会随输入端的变化而变化。

有了上面的知识铺垫&＃xff0c;现在我们就以51单片机的P3端口为例来介绍一下端口的工作原理。

P3端口有P3.0&＃xff5e;P3.7共8个引脚&＃xff0c; P3端口可作为I/O接口&＃xff0c; 还可以用于其他方面。P3端口每个引脚的内部电路结构都相同&＃xff0c; 其内部电路结构如下图所示

如果要将P3端口用作I/O接口&＃xff0c; 应让与非门的选择输出功能端为“1”&＃xff0c; 以开通与非门。当将P3端口用作输出端口时&＃xff0c; 给锁存器的CL端送写脉冲信号&＃xff0c; 内部总线送来的数据就可以通过D端进入锁存器并从Q端输出&＃xff0c; 再通过与非门和场效应管从P3端口引脚输出。

当将 P3 端口用作输入端口时&＃xff0c; 应先通过内部总线向锁存器写“1”&＃xff0c; 让 Q&＃61;1&＃xff0c; 场效应管截止&＃xff0c; P3端口输入的信号就可以通过缓冲器、 输入三态门送到内部总线。

P3端口用作第二功能(又称复用功能) 时&＃xff0c; 实际上也是在该端口输入或输出信号&＃xff0c;只不过输入、 输出的是一些特殊功能的信号。所以当P3端口用作第二功能时&＃xff0c; 其内部电路的工作原理与用作I/O接口时是一样的&＃xff0c; 在用作输入功能时&＃xff0c; 端口的锁存器同样要先置“1”。

P3端口8个引脚的第二功能详见下表。例如P3.2引脚用作第二功能时&＃xff0c; 该端口可输入由外部设备送到的中断请求信号&＃xff0c; 该信号通过缓冲器、 输入三态门送到内部总线。

P3端口除了可以接收外界的输入信号外&＃xff0c; 还可以接收内部的替代输入功能端送来的信号&＃xff0c; 该信号通过输入三态门送到内部总线。

未完&＃xff0c;请点击左下角“阅读原文”继续阅读