数字电路，模拟电路单片机基础知识！

数字电路

1数字信号： 指的是在时间上和数值上都是离散的信号；即信号在时间上不连续，总是发生在一序列离散的瞬间；在数值上量化，只能按有限多个增量或阶梯取值。（模拟信号：指在时间上和数值上都是连续的信号。）

2数字电路主要研究: 电路输入、输出状态之间的相互关系，即逻辑关系。分析和设计数字电路的数学工具是逻辑代数，由英国数学家布尔1849年提出，因此也称布尔代数。

3逻辑代数有三种最基本的运算： 与、或、非。基本逻辑的简单组合称为复合逻辑。

4 逻辑代数三个基本规则： 代入规则、反演规则和对偶规则。

5 化简电路是为了降低系统的成本，提高电路的可靠性，以便使用最少集成电路实现功能。

6 把若干个有源器件和无源器件及其导线，按照一定的功能要求制作在同一块半导体芯片上，这样的产品叫集成电路。最简单的数字集成电路就是集成逻辑门，以基本逻辑门为基础，可构成各种功能的组合逻辑电路和时序逻辑电路 。

7TTL门电路 ：是目前双极型数字集成电路使用最多的一种，由于输入端和输出端的结构形成都采用了半导体三极管，所以也称晶体管-晶体管逻辑门电路。TTL与非门是TTL门电路的基本单元。最常用的集成逻辑门电路TTL门和CMOS门。

8集成逻辑门 ，按照其组成的有源器件的不同可分为两大类：一类是双极性集体管逻辑门，主要有TTL门 （晶体管-晶体管逻辑门）、ECL门 （射极耦合逻辑门）、I2C门 ；另一类是单极性绝缘栅场效应管逻辑门，简称MOS门。

问题集锦

1同步电路和异步电路的区别是什么？

同步电路：存储电路中所有触发器的时钟输入端都接同一个时钟脉冲源，因而所有触发器的状态的变化都与所加的时钟脉冲信号同步。

异步电路：电路没有统一的时钟，有些触发器的时钟输入端与时钟脉冲源相连，这有这些触发器的状态变化与时钟脉冲同步，而其他的触发器的状态变化不与时钟脉冲同步。

2什么是"线与"逻辑，要实现它，在硬件特性上有什么具体要求？

将两个门电路的输出端并联以实现与逻辑的功能成为线与。 在硬件上，要用OC门来实现，同时在输出端口加一个上拉电阻。 由于不用OC门可能使灌电流过大，而烧坏逻辑门。

3解释setup和hold time violation，画图说明，并说明解决办法。

Setup/hold time是测试芯片对输入信号和时钟信号之间的时间要求。建立时间是指触发器的时钟信号上升沿到来以前，数据稳定不变的时间。输入信号应提前时钟上升沿（如上升沿有效）T时间到达芯片，这个T就是建立时间-Setup time.如不满足setup time,这个数据就不能被这一时钟打入触发器，只有在下一个时钟上升沿，数据才能被打入触发器。

保持时间是指触发器的时钟信号上升沿到来以后，数据稳定不变的时间。如果hold time不够，数据同样不能被打入触发器。

建立时间(Setup Time)和保持时间（Hold time）。建立时间是指在时钟边沿前，数据信号需要保持不变的时间。保持时间是指时钟跳变边沿后数据信号需要保持不变的时间。如果数据信号在时钟沿触发前后持续的时间均超过建立和保持时间，那么超过量就分别被称为建立时间裕量和保持时间裕量。

4什么是竞争与冒险现象？怎样判断？如何消除？（汉王笔试）

在组合逻辑中，由于门的输入信号通路中经过了不同的延时，导致到达该门的时间不一致叫竞争。

产生毛刺叫冒险。判断方法：代数法、图形法（是否有相切的卡诺圈）、表格法（真值表）。如果布尔式中有相反的信号则可能产生竞争和冒险现象。

冒险分为偏“1”冒险和偏“0”冒险

解决方法：一是添加布尔式的消去项；二是在芯片外部加电容；三是加入选通信号。

5名词：SRAM、SSRAM、SDRAM： （SRAM：静态RAM； DRAM：动态RAM； SSRAM：Synchronous Static Random Access Memory同步静态随机访问存储器。它的一种类型的SRAM。SSRAM的所有访问都在时钟的上升/下降沿启动。地址、数据输入和其它控制信号均于时钟信号相关。这一点与异步SRAM不同，异步SRAM的访问独立于时钟，数据输入和输出都由地址的变化控制。SDRAM：Synchronous DRAM同步动态随机存储器

6FPGA和ASIC的概念，他们的区别。

答案：FPGA是可编程ASIC。 ASIC:专用集成电路，它是面向专门用途的电路，专门为一个用户设计和制造的。根据一个用户的特定要求，能以低研制成本，短、交货周期供货的全定制，半定制集成电路。与门阵列等其它ASIC(Application Specific IC)相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点。

7单片机上电后没有运转，首先要检查什么？

a、首先应该确认电源电压是否正常。用电压表测量接地引脚跟电源引脚之间的电压，看是否是电源电压，例如常用的5V。b、接下来就是检查复位引脚电压是否正常。分别测量按下复位按钮和放开复位按钮的电压值，看是否正确。c、然后再检查晶振是否起振了，一般用示波器来看晶振引脚的波形；经过上面几点的检查，一般即可排除故障了。如果系统不稳定的话，有时是因为电源滤波不好导致的。在单片机的电源引脚跟地引脚之间接上一个0.1uF的电容会有所改善。如果电源没有滤波电容的话，则需要再接一个更大滤波电容，例如220uF的。遇到系统不稳定时，就可以并上电容试试（越靠近芯片越好）。

8什么是同步逻辑和异步逻辑？

同步逻辑是时钟之间有固定的因果关系。异步逻辑是各时钟之间没有固定的因果关系。

9你知道那些常用逻辑电平？TTL与COMS电平可以直接互连吗？

常用逻辑电平：12V，5V，3.3V；TTL和CMOS不可以直接互连，由于TTL是在0.3-3.6V之间，而CMOS则是有在12V的有在5V的。CMOS输出接到TTL是可以直接互连。TTL接到CMOS需要在输出端口加一上拉电阻接到5V或者12V。

不同类型单片机之间如何“搭讪”（通信方式）？从这几个实例来看

几种常用单片机之间的通信方式

①采用硬件UART进行异步串行通信。这是一种占用口线少，有效、可靠的通信方式；但遗憾的是许多小型单片机没有硬件UART，有些也只有1个UART，如果系统还要与上位机通信的话，硬件资源是不够的。这种方法一般用于单片机有硬件UART且不需与外界进行串行通信或采用双UART单片机的场合。

②采用片内SPI接口或I2C总线模块串行通信形式。SPI/I2C接口具有硬件简单、软件编程容易等特点，但目前大多数单片机不具备硬件SPI/I2C模块。

③利用软件模拟SPI/I2C模式通信，这种方式很难模拟从机模式，通信双方对每一位要做出响应，通信速率与软件资源的开销会形成一个很大的矛盾，处理不好会导致系统整体性能急剧下降。这种方法只能用于通信量极少的场合。

④口对口并行通信，利用单片机的口线直接相连，加上1～2条握手信号线。这种方式的特点是通信速度快，1次可以传输4位或8位，甚至更多，但需要占用大量的口线，而且数据传递是准同步的。在一个单片机向另一个单片机传送1个字节以后，必须等到另一个单片机的接收响应信号后才能传送下一个数据。一般用于一些硬件口线比较富裕的场合。

⑤利用双口RAM作为缓冲器通信。这种方式的最大特点就是通信速度快，两边都可以直接用读写存储器的指令直接操作；但这种方式需要大量的口线，而且双口RAM的价格很高，一般只用于一些对速度有特殊要求的场合。

从上面几种方案来看，各种方法对硬件都有很大的要求与限制，特别是难以在功能简单的单片机上实现，因此寻求一种简单、有效的，能在各种单片机之间通信的方法具有重要的意义。③、④方案中，双方单片机要传递的每一位或每一个字节做出响应，通信数据量较大时会耗费大量的软件资源，这在一些实时性要求高的地方是不允许的。

针对这一问题，假设在单片机之间增加1个数据缓冲器，大批数据先写入缓冲区，然后再让对方去取，各个单片机对数据缓冲器都是主控模式，这样必然会大大提高通信效率。谈到数据缓冲，我们马上会想到并行RAM，但是并行RAM需要占用大量的口线（数据线+地址线+读写线+片选线+握手线），一般在16条以上。这是一个让人望而生畏的数字，而且会大大增加PCB面积并给布线带来一定的困难，极少有人采用这种方式。串行接口的RAM在市场上很少见，不但难以买到而且价格很高。移位寄存器也可以做数据缓冲器，但目前容量最大的也只128位，因为是“先进先出”结构，所以不管传递数据多少，接收方必须移完整个寄存器，灵活性差而且大容量的移位寄存器也是少见难买的。一种被称为“铁电存储器”芯片的出现，给我们带来了解决方法。

利用铁电存储器作为数据缓冲器的通信方式

铁电存储器是美国Ramtran公司推出的一种非易失性存储器件，简称FRAM。与普通EEPROM、Flash-ROM相比，它具有不需写入时间、读写次数无限，没有分布结构可以连续写放的优点，因此具有RAM与EEPROM的双得特性，而且价格相对较低。

现在大多数的单片机系统配备串行EEPROM（如24CXX、93CXX等）用来存储参数。如果用1片FRAM代替原有EEPROM，使它既能存储参数，又能作串行数据通信的缓冲器。2个（或多个）单片机与1片FRAM接成多主-从的I2C总线方式，增加几条握手线，即可得到简单高效的通信硬件电路。在软件方面，只要解决好I2C多主-从的控制冲突与通信协议问题，即可实现简单、高效、可靠的通信了。

实例（双单片机结构，多功能低功耗系统）

（1）硬件

W78LE52与EMC78P458组成一个电池供电、可远程通信的工业流量计。78P458采用32.768kHz晶振，工作电流低，不间断工作，实时采集传感器的脉冲及温度、压力等一些模拟量；W78LE52采11.0592MHz晶振，由于它的工作电流较大，采用间断工作，负责流量的非线性校正、参数输入、液晶显示、与上位机通信等功能，它的UART用于远程通信。2个单片机共用1片I2C接口的FRAM（FM24CL16）组成二主一从的I2C总线控制方式，W78LE52的P3.5、P3.2分别与78P458的P51、P50连接作握手信号线A与B。我们把握手线A（简称A线）定义为总线控制、指示线，主要用于获取总线控制权与判别总线是否“忙”；握手线B（简称B线）定义为通知线，主要用于通知对方取走数据。

（2）I2C总线仲裁

由于我们采用的是二主一从的I2C总线方式，因此防止2个主机同时去操作从机（防冲突）是一个非常重要的问题。带有硬件I2C模块的器件一般是这样的，器件内部有1个总线仲裁器与总线超时定时器：当总线超时定时器超时后指示总线空闲，这时单片机可以发出获取总线命令，总线仲裁器通过一系列操作后确认获取总线成功或失败；超时定时器清零，以后的每一个SCL状态变化对总线所有主机的超时定时器进行清零，以防止它溢出，指示总线正处于“忙”状态，直到一个主机对总线控制结束不再产生SCL脉冲；超时定时器溢出，总线重新回到“空闲”状态。但是目前大多数单片机没有配备硬件I2C模块，而且当2个主机的工作频率相差较大时，超时定时器定时值只能设为较大的值，这样也会影响总线的使用效率。

下面介绍一种用软件模拟I2C总线仲裁的方式（I2C读写操作程序的软件模拟十分多见，这里不再多述）：用1条握手线A，当A线高电平时，指示总线空闲；当其中一个主机要获取总线控制权时，先查询总线是否空闲，“忙”则退出，空闲则向A线发送一个测试序列（如：1000101011001011），在每次发送位“1”后读取的A线状态。如果读取状态为“0”，马上退出，说明有其它器件已经抢先获取总线；如果一个序列读取的A线状态都正确，则说明已成功获得总线控制权，这时要拉低A线以指示总线“忙”，直到读写高A线，使总线回到“空闲”状态。不同的主机采用不同的测试序列，或产生随机测试序列，测试序列长度可以选得长一些，这样可以增加仲裁的可靠性。

（3）通信协议

一个可靠通信体系，除了好的硬件电路外，通信协议也至关重要。在单片机系统RAM资源与执行速度都非常有限的情况下，一个简捷有效的协议是非常重要的。下面具体介绍一种比较适用于单片机通信的协议，数据以包的形式传送。数据包结构：

①包头——指示数据包的开始，有利于包完整性检测，有时可省略；

②地址——数据包要传送的目标地址，若只有双机通信或硬件区分地址可以省略；

③包长度——指示整个数据包的长度；

④命令——指示本数据包的作用；

⑤参数——需要传送的数据与参数；

⑥校验——验证数据包的正确性，可以是和校验、异或校验、CRC校验等或者是它们的组合；

⑦包尾——指示数据包的结尾，有利于包完整性检测，有时可省略。

（4）通信流程

首先，要在FRAM里划分好各个区域，各个单片机的参数区、数据接收区等。然后，单片机可以向另一个单片机发送数据包，发送完毕之后通过向握手线B发送1个脉冲通知对方取走数据；接收方读取数据并进行处理后，向FRAM内发送方的数据接收区写入回传数据或通信失败标志，再向握手线B发送1个脉冲回应发送方。

如果需要单片机2发送的话，只需交换一下操作过程即可。

4 总结

通过实践可知，以上方法是可行的。与其它方法相比具有发下优点：

①简单。占用单片机口线少（SCL、SDA、握手线A、握手线B）。

②通用。软件模拟I2C主机方式，可以在任何种类的单片机之间通信。

③高效。由于采用数据缓冲，可以在不同时钟频率、不同速度的单片机之间通信；读写数据时，可以I2C总线的最高速度进行，可以实现1次传送大量数据；在一个单片机向FRAM传送数据时，另一个单片机无须一一作出响应或等待，可以进行其它程序操作，提高软件工作效率。

④灵活。通信硬件接口对于各个单片机是对等的，通过软件配置，每个单片机既可以根据需要主动发送通信，也可以只响应其它单片机的呼叫。

⑤容易扩展。通过增加地址识别线，修改通信协议，即可做到多机通信。

以下是需要注意的地方：

①为了提高通信效率，握手线B最好使用中断端口，负脉冲宽度一定要满足速度较低单片机中断信号要求。如果没有中断的话应增加1条口线，用改变端口状态的方法通知对方，等待对方查询，而不是负脉冲。

②向对方发送负脉冲时，应屏蔽自己的中断。

③由于参数与通信缓冲区同时设在同一片FRAM内，要避免对参数部分的误操作。一个较好的解决办法是把参数存放在地址的后半部分（A2=1），在进行通信操作时，把FRAM的WP引脚拉高（地址在后半部分的单元写保护），这样可以有效地防止测验时对参数区误操作。

④由于I2C总线在一个时间段内只有1个主机和1个从机，所以当1个单片机正在写通信数据时，另一个单片机是不能对FRAM进行操作的。如果需要实时、频繁地读取FRAM中参数的话，请预先将参数读入RAM单元使用或另外增加专门存放参数的芯片。

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