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单片机内部主要由数字电路组成。为了在分析单片机内部电路结构时更容易理解，这里简单介绍一下单片机中常用的基础电路。
1.与门电路
（1）与门的电路结构与原理
与门的电路结构如图1-27所示，它是一个由二极管和电阻构成的电路，其中A、B为输入端，S1、S2为开关，Y为输出端，+5V电压经R1、R2分压，在E点得到+3V的电压。
图1-27 与门的电路结构
对与门电路工作原理说明如下：
当S1、S2均拨至位置2时，A、B端电压都为0V，由于E点电压为3V，所以二极管VD1、VD2都导通，E点电压马上下降到0.7V，Y端输出电压为0.7V。
当S1拨至位置2、S2拨至位置1时，A端电压为0V，B端电压为5V，由于E点电压为3V，所以二极管VD1马上导通，E点电压下降到0.7V，此时VD2正端电压为0.7V，负端电压为5V，VD2处于截止状态，Y端输出电压为0.7V。
当S1拨至位置1、S2拨至位置2时，A端电压为5V，B端电压为0V，VD2导通，VD1截止，E点电压为0.7V，Y端输出电压为0.7V。
当S1、S2均拨至位置1时，A、B端电压都为5V，VD1、VD2均不能导通，E点电压为3V，Y端输出电压为3V。
为了分析方便，在数字电路中通常将0～1V的电压规定为低电平，用“0”表示，将3～5V的电压称为高电平，用“1”表示。根据该规定，可将与门电路工作原理简化如下：
当A=0、B=0时，Y=0；
当A=0、B=1时，Y=0；
当A=1、B=0时，Y=0；
当A=1、B=1时，Y=1。
由此可见，与门电路的功能是：只有输入端都为高电平时，输出端才会输出高电平；只要有一个输入端为低电平，输出端就会输出低电平。
（2）真值表
真值表是用来列举电路各种输入值和对应输出值的表格。它能让人们直观地看出电路输入与输出之间的关系。如表1-2所示为与门电路的真值表。
表1-2 与门电路的真值表
（3）逻辑表达式
真值表虽然能直观地描述电路输入和输出之间的关系，但比较麻烦且不便记忆。为此可采用关系式来表达电路输入与输出之间的逻辑关系，这种关系式称为逻辑表达式。
与门电路的逻辑表达式为
式中的“·”表示“与”，读作“A与B”（或“A乘B”）。
（4）与门的图形符号
如图1-27所示的与门电路由多个元件组成，这在画图和分析时很不方便，可以用一个简单的符号来表示整个与门电路，这个符号称为图形符号。与门电路的图形符号如图1-28所示，其中旧符号是指早期采用的符号，常用符号是指有些国家采用的符号，新标准符号是指我国最新公布的标准符号。
图1-28 与门图形符号
（5）与门芯片
在数字电路系统中，已很少采用由分立元件组成的与门电路，而是采用集成化的与门芯片（又称与门集成电路）。74LS08P是一种较常用的与门芯片，其外形如图1-29所示，74LS08P内部有4个与门，每个与门有两个输入端、一个输出端。
图1-29 与门芯片74LS08P的外形
2.或门电路
（1）或门的电路结构与原理
或门的电路结构如图1-30所示，它由二极管和电阻构成，其中A、B为输入端，Y为输出端。
图1-30 或门的电路结构
对或门电路工作原理说明如下：
当S1、S2均拨至位置2时，A、B端电压为0V，二极管VD1、VD2都无法导通，E点电压为0，Y端输出电压为0V，即A=0、B=0时，Y=0。
当S1拨至位置2、S2拨至位置1时，A端电压为0V，B端电压为5V，二极管VD2马上导通，E点电压为4.3V，此时VD1处于截止状态，Y端输出电压为4.3V，即A=0、B=1时，Y=1。
当S1拨至位置1、S2拨至位置2时，A端电压为5V，B端电压为0V，VD1导通，VD2截止，E点电压为4.7V，Y端输出电压为4.3V，即A=1、B=0时，Y=1。
当S1、S2均拨至位置1时，A、B端电压都为5V，VD1、VD2均导通，E点电压为4.3V，Y端输出电压为4.3V，即A=1、B=1时，Y=1。
由此可见，或门电路的功能是：只要有一个输入端为高电平，输出端就为高电平；只有输入端都为低电平，输出端才输出低电平。
（2）真值表
或门的真值表如表1-3所示。
表1-3 或门电路的真值表
（3）逻辑表达式
或门电路的逻辑表达式为
式中的“+”表示“或”。
（4）或门的图形符号
或门的图形符号如图1-31所示。
图1-31 或门图形符号
（5）或门芯片
74LS32N是一种较常用的或门芯片，其外形如图1-32所示。74LS32N内部有4个或门，每个或门有两个输入端、一个输出端。
图1-32 或门芯片74LS32N的外形
3.非门电路
（1）非门的电路结构与原理
非门的电路结构如图1-33所示，它是由三极管和电阻构成的电路，其中A为输入端，Y为输出端。
图1-33 非门的电路结构
对非门电路工作原理说明如下：
当S1拨至位置2，A端电压为0V时，三极管VT1截止，E点电压为5V，Y端输出电压为5V，即A=0时，Y=1。
当S1拨至位置1，A端电压为5V时，三极管VT1导通，E点电压低于0.7V，Y端输出电压也低于0.7V，即A=1时，Y=0。
由此可见，非门电路的功能是：输入与输出状态总是相反。
（2）真值表
非门电路的真值表如表1-4所示。
表1-4 非门电路的真值表
（3）逻辑表达式
非门电路的逻辑表达式为
式中的“¯”表示“非”（或相反）。
（4）非门的图形符号
非门的图形符号如图1-34所示。
图1-34 非门图形符号
（5）非门芯片
74LS04P是一种常用的非门芯片（又称反相器），其外形如图1-35所示。74LS04P内部有6个非门，每个非门有一个输入端、一个输出端。
图1-35 非门芯片74LS04P的外形
4.与非门电路
（1）结构、原理与图形符号
与非门是由与门和非门组成的，其逻辑结构及图形符号如图1-36所示。
图1-36 与非门
对与非门工作原理说明如下：
当A端输入“0”、B端输入“1”时，与门的C端会输出“0”，C端的“0”送到非门的输入端，非门的Y端（输出端）会输出“1”。
读者可以按上述方法分析A、B端其他三种输入情况，这里不赘述。
（2）真值表
与非门的真值表如表1-5所示。
表1-5 与非门的真值表
（3）逻辑表达式
与非门的逻辑表达式为
（4）逻辑功能
与非门的逻辑功能是：只有输入端全为“1”时，输出端才为“0”；只要有一个输入端为“0”，输出端就为“1”。
（5）与非门芯片
74LS00P是一种常用的与非门芯片，其外形如图1-37所示。74LS00P内部有4个与非门，每个与非门有两个输入端、一个输出端。
图1-37 与非门芯片74LS00P的外形
5.或非门电路
（1）结构、原理与图形符号
或非门是由或门和非门组合而成的，其逻辑结构和图形符号如图1-38所示。
图1-38 或非门
对或非门工作原理说明如下：
当A端输入“0”、B端输入“1”时，或门的C端会输出“1”，C端的“1”送到非门的输入端，结果非门的Y端（输出端）会输出“0”。
读者可以按上述方法分析A、B端其他三种输入情况。
（2）真值表
或非门的真值表如表1-6所示。
表1-6 或非门的真值表
（3）逻辑表达式
或非门的逻辑表达式为
根据逻辑表达式很容易求出与输入值对应的输出值。例如，当A=0、B=1时，Y=0。
（4）逻辑功能
或非门的逻辑功能是：只有输入端全为“0”，输出端才为“1”；只要输入端有一个为“1”，输出端就为“0”。
（5）或非门芯片
74LS27N是一种常用的或非门芯片，其外形如图1-39所示。74LS27N内部有三个或非门，每个或非门有三个输入端、一个输出端。
图1-39 或非门芯片74LS27N的外形
数制就是数的进位制。在日常生活中，人们经常会接触到0、7、8、9、168、295等这样的数字，它们就是一种数制——十进制数。另外，数制还有二进制数和十六进制数等。
1.十进制数
十进制数有以下两个特点：
①有10个不同的数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。任意一个十进制数均可以由这10个数码组成。
②遵循“逢十进一”的计数原则。对于任意一个十进制数 N ，它都可以表示成
其中， m 和 n 为正整数。
这里的 a n- 1 ， a n- 2 ，…， a - m 称为数码，10称为基数，10 n- 1 ，10 n- 2 ，…，10 - m 是各位数码的位权。
例如，根据上面的方法可以将十进制数3259.46表示成3259.46=3×10 3 +2×10 2 +5×10 1 +9×10 0 +4×10 - 1 +6×10 - 2 。
请试着按上面的方法写出8436.051的展开式。
2.二进制数
十进制是最常见的数制，除此以外，还有二进制数、八进制数、十六进制数等。在数字电路中，二进制数用得最多。
（1）二进制数的特点
二进制数有以下两个特点：
①有两个数码：0和1。任何一个二进制数都可以由这两个数码组成。
②遵循“逢二进一”的计数原则。对于任意一个二进制数 N ，它都可以表示成
其中， m 和 n 为正整数。
这里的 a n- 1 ， a n- 2 ，…， a -m 称为数码，2称为基数，2 n- 1 ，2 n- 2 ，…，2 -m 是各位数码的位权。
例如，二进制数11011.01可表示为（11011.01） 2 =1×2 4 +1×2 3 +0×2 2 +1×2 1 +1×2 0 +0×2 - 1 +1×2 - 2 。
请试着按上面的方法写出（1011.101） 2 的展开式。
（2）二进制数的四则运算
①加法运算。加法运算法则是“逢二进一”。举例如下：
当遇到“1+1”时就向相邻高位进1。
例如，求（1011） 2 +（1011） 2 ，可以用与十进制数相同的竖式计算：
即（1011） 2 +（1011） 2 =（10110） 2 。
②减法运算。减法运算法则是“借一当二”。举例如下：
当遇到“0-1”时，需向高位借1当2用。
例如，求（1100） 2 -（111） 2 ，可以用与十进制数相同的竖式计算：
即（1100） 2 - （111） 2 =（101） 2 。
③乘法运算。乘法运算法则是“各数相乘，再作加法运算”。举例如下：
例如，求（1101） 2 ×（101） 2 ，可以用与十进制数相同的竖式计算：
即（1101） 2 ×（101） 2 =（1000001） 2 。
④除法运算。除法运算法则是“各数相除，再作减法运算”。举例如下：
例如，求（1111） 2 ÷（101） 2 ，可以用与十进制数相同的竖式计算：
即（1111） 2 ÷（101） 2 =（11） 2 。
3.十六进制数
十六进制数有以下两个特点：
①有16个数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F，这里的A、B、C、D、E、F分别代表10、11、12、13、14、15。
②遵循“逢十六进一”的计数原则。对于任意一个十六进制数 N ，它都可以表示成
其中， m 和 n 为正整数。
这里的 a n- 1 ， a n- 2 ，…， a - m 称为数码，16称为基数，16 n- 1 ，16 n- 2 ，…，16 - m 是各位数码的位权。
例如，十六进制数可表示为（3A6.D） 16 =3×16 2 +10×16 1 +6×16 0 +13×16 - 1 。
请试着按上面的方法写出（B65F.6） 16 的展开式。
4.二进制数与十进制数的转换
（1）二进制数转换成十进制数
二进制数转换成十进制数的方法是：将二进制数各位数码与位权相乘后求和，就能得到十进制数。
例如，（101.1） 2 =1×2 2 +0×2 1 +1×2 0 +1×2 - 1 =4+0+1+0.5=（5.5） 10
（2）十进制数转换成二进制数
十进制数转换成二进制数的方法是：采用除2取余法，即将十进制数依次除2，并依次记下余数，一直除到商数为0，最后把全部余数按相反次序排列，就能得到二进制数。
例如，将十进制数（29） 10 转换成二进制数，方法为
即（29） 10 =（11101） 2 。
5.二进制数与十六进制数的转换
（1）二进制数转换成十六进制数
二进制数转换成十六进制数的方法是：从小数点起向左、右按4位分组，整数部分不足4位的，可在最高位的左边加“0”补齐，小数点部分不足4位的，可在最低位右边加“0”补齐，每组以其对应的十六进制数代替，将各个十六进制数依次写出即可。
例如，将二进制数（1011000110.111101） 2 转换为十六进制数，方法为
注意：十六进制的16位数码为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F，它们分别与二进制数0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、1010、1011、1100、1101、1110、1111相对应。
（2）十六进制数转换成二进制数
十六进制数转换成二进制数的过程与上述方法相反。其过程是：从左到右将待转换的十六进制数中的每个数依次用4位二进制数表示。
例如，将十六进制数（13AB.6D） 16 转换成二进制数，方法为
单片机中的数是以二进制表示的，分为有符号数和无符号数两种。
1.有符号数的表示方法
有符号数是指有“+（正）”“-（负）”符号的数。由于单片机中的数采用二进制数表示，所以只有1和0两种数字，其中用“0”表示“+”，用“1”表示“-”。因为单片机中的数据一般只有8位，且最高位为符号位，所以只有7位用来表示数值，可以表示的数据范围是-127～+128。
有符号数的表示方法有三种：原码、反码和补码。同一有符号数，用三种表示方法得到的数是不同的。下面用三种方法来表示两个有符号数+1011101和-1011101。
（1）原码
用“1”表示“-”，用“0”表示“+”，其他各数保持不变，采用这种方法表示出来的数称为原码。
（2）反码
反码是在原码的基础上求得的。对于正的有符号数，其反码与原码相同；对于负的有符号数，其反码除符号位与原码相同外，其他各位数由原码各位数取反得到。
（3）补码
补码是在反码的基础上求得的。对于正的有符号数，其补码与反码、原码相同；对于负的有符号数，其补码除符号位与反码一致外，其他数由反码加1得到。
2.有符号数的运算
虽然用原码表示有符号数时简单、直观，但在单片机中，如果采用原码进行减法运算，则需要很复杂的硬件电路；如果用补码，则可将减法运算变为加法运算，从而省去减法器且简化硬件电路。
例如，用二进制减法运算和补码加法运算分别计算35-21。
①二进制减法运算：35-21=00100011-00010101=00001110
②用补码加法运算：先将算式转换成补码形式，35-21=［+35］+［-21］=［00100011］ 原 +［10010101］ 原 =［00100011］ 反 +［11101010］ 反 =［00100011］ 补 +［11101011］ 补 。
再对补码进行二进制加法运算：
从上面的运算过程可以看出，补码的符号也参与运算，在8位单片机中，由于数据长度只能有8位，上式结果有9位，故第9位会自然丢失，补码加法的运算结果与二进制减法的运算结果是一样的，都是00001110=14。
由此可见，用补码的形式进行运算，可以将减法运算转换为加法运算，运算结果仍是正确的，所以单片机普遍采用补码的形式表示有符号数。
3.无符号数的表示方法
无符号数因为不用符号位，8位全部用来表示数据，所以这种方法可以表示的数据范围是0～255。8位二进制数的不同表示方式的换算关系如表1-7所示。
表1-7 8位二进制数的不同表示方式的换算关系
（续表）
从表1-7中可以看出，对于同一个二进制数，当采用不同的表示方式时，得到的数值是不同的，特别是大于10000000的有符号数。若想确切知道单片机中的二进制数所对应的十进制数是多少，则先要了解该二进制数是有符号数还是无符号数，再换算出该二进制数对应的十进制数。