74HC595 移位寄存器工作原理詳解

74HC595 是一款常用的 8 位串行輸入、并行輸出的移位寄存器，常用于微控制器擴(kuò)展 I/O 口、驅(qū)動(dòng) LED 顯示、控制繼電器等應(yīng)用中。它以其簡(jiǎn)單的接口、高效的數(shù)據(jù)傳輸方式以及多芯片級(jí)聯(lián)能力，成為電子項(xiàng)目中的?？汀＠斫馄涔ぷ髟韺?duì)于有效利用它至關(guān)重要。

1. 74HC595 芯片概述與特點(diǎn)

74HC595 芯片屬于高速 CMOS 邏輯系列，具有低功耗和高噪聲容限的特點(diǎn)。它集成了兩個(gè)主要的寄存器：一個(gè) 8 位移位寄存器和一個(gè) 8 位存儲(chǔ)寄存器（鎖存器）。這兩個(gè)寄存器的協(xié)同工作使得 74HC595 能夠?qū)⒋袛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)輸出。

該芯片的主要特點(diǎn)包括：

• 串行輸入，并行輸出： 這是其核心功能，允許用戶通過少量引腳（通常是三根）控制大量的輸出引腳。

• 8 位數(shù)據(jù)寬度： 每次操作可以處理 8 位數(shù)據(jù)。

• 存儲(chǔ)寄存器： 內(nèi)部的存儲(chǔ)寄存器使得輸出數(shù)據(jù)可以被鎖定，即使在移位寄存器中進(jìn)行新的數(shù)據(jù)輸入，輸出也能保持穩(wěn)定。

• 級(jí)聯(lián)能力： 可以方便地將多個(gè) 74HC595 芯片串聯(lián)起來，以擴(kuò)展更多的輸出端口，這對(duì)于需要控制大量輸出的應(yīng)用場(chǎng)景非常有用。

• 高速性能： 作為 HC 系列芯片，它具有較快的開關(guān)速度，適用于對(duì)響應(yīng)時(shí)間有一定要求的場(chǎng)合。

• 寬工作電壓范圍： 通常支持 2V 至 6V 的工作電壓，使其能夠兼容多種微控制器和邏輯電平。

2. 74HC595 引腳功能詳解

理解 74HC595 的工作原理，首先要熟悉其各個(gè)引腳的功能。標(biāo)準(zhǔn)的 74HC595 芯片通常有 16 個(gè)引腳，其中最重要的幾個(gè)引腳如下：

• VCC (引腳 16)： 電源正極。為芯片提供工作電壓。

• GND (引腳 8)： 接地。芯片的公共參考電位。

• SER (Serial Data Input, 引腳 14)： 串行數(shù)據(jù)輸入引腳。這是數(shù)據(jù)從微控制器或其他數(shù)據(jù)源輸入到 74HC595 移位寄存器的入口。數(shù)據(jù)以位（bit）的形式一位一位地送入。

• SRCLK (Shift Register Clock, 引腳 11)： 移位寄存器時(shí)鐘輸入引腳。每當(dāng)此引腳接收到一個(gè)上升沿（從低電平到高電平的跳變），SER 引腳上的數(shù)據(jù)就會(huì)被移入到移位寄存器的最低位（Q0），同時(shí)移位寄存器中的所有現(xiàn)有數(shù)據(jù)都會(huì)向高位移動(dòng)一位（Q0 移到 Q1，Q1 移到 Q2，以此類推，Q7 的數(shù)據(jù)會(huì)移出到 QH'）。

• RCLK (Storage Register Clock / Latch Clock, 引腳 12)： 存儲(chǔ)寄存器時(shí)鐘輸入引腳，也稱鎖存時(shí)鐘或輸出使能時(shí)鐘。當(dāng)此引腳接收到一個(gè)上升沿時(shí)，移位寄存器中的 8 位數(shù)據(jù)會(huì)被并行地傳輸并鎖定到存儲(chǔ)寄存器中。一旦數(shù)據(jù)被鎖存，它們就會(huì)立即反映到 Q0 到 Q7 的并行輸出引腳上，并且在下一個(gè) RCLK 上升沿到來之前，這些輸出將保持不變。

• OE (Output Enable, 引腳 13)： 輸出使能引腳。這是一個(gè)低電平有效（Active Low）的引腳。當(dāng) OE 為低電平時(shí)，存儲(chǔ)寄存器中的數(shù)據(jù)會(huì)輸出到 Q0-Q7 引腳。當(dāng) OE 為高電平時(shí)，所有并行輸出引腳（Q0-Q7）將處于高阻態(tài)（High Impedance），這意味著它們既不輸出高電平也不輸出低電平，可以有效地?cái)嚅_與負(fù)載的連接，常用于多路復(fù)用或節(jié)省功耗的場(chǎng)景。在許多應(yīng)用中，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，OE 引腳通常直接接地，使其始終處于使能狀態(tài)。

• CLR (Master Reset / Clear, 引腳 10)： 清零引腳。這是一個(gè)低電平有效（Active Low）的引腳。當(dāng) CLR 為低電平時(shí)，移位寄存器中的所有數(shù)據(jù)位（Q0-Q7）都會(huì)被異步清零為邏輯 0。請(qǐng)注意，CLR 只清零移位寄存器，不影響存儲(chǔ)寄存器中的數(shù)據(jù)。為了正常操作，此引腳通常連接到 VCC 以保持高電平，使其處于非清零狀態(tài)。

• Q0 - Q7 (Parallel Data Outputs, 引腳 15, 1-7)： 8 位并行數(shù)據(jù)輸出引腳。這些引腳直接連接到存儲(chǔ)寄存器的輸出，當(dāng)數(shù)據(jù)被鎖存后，它們會(huì)并行地顯示存儲(chǔ)寄存器中的數(shù)據(jù)。它們是 74HC595 與外部設(shè)備（如 LED、繼電器等）連接的主要接口。

• QH' (Serial Data Output, 引腳 9)： 串行數(shù)據(jù)輸出引腳。這是移位寄存器中最高位（Q7）的數(shù)據(jù)輸出。在 SRCLK 的每個(gè)上升沿，當(dāng)數(shù)據(jù)從 Q7 移出時(shí)，它會(huì)出現(xiàn)在 QH' 引腳上。這個(gè)引腳使得多個(gè) 74HC595 芯片可以方便地進(jìn)行級(jí)聯(lián)，一個(gè)芯片的 QH' 可以連接到下一個(gè)芯片的 SER 引腳，從而形成更長的移位寄存器鏈。

3. 74HC595 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作流程

74HC595 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)核心部分：一個(gè) 8 位串行移位寄存器（Shift Register）和一個(gè) 8 位并行存儲(chǔ)寄存器（Storage Register / Latch）。

3.1 移位寄存器的工作

移位寄存器是 74HC595 數(shù)據(jù)輸入的核心。它由 8 個(gè) D 觸發(fā)器串聯(lián)而成。

• 數(shù)據(jù)輸入： 當(dāng) SRCLK 引腳接收到一個(gè)上升沿時(shí)，SER 引腳上的當(dāng)前邏輯電平（高或低）會(huì)被載入到移位寄存器的第一位（通常標(biāo)記為 Q0 或 QA）。

• 數(shù)據(jù)移位： 與此同時(shí)，移位寄存器中所有已有的數(shù)據(jù)位都會(huì)向高位移動(dòng)一個(gè)位置。例如，Q0 中的數(shù)據(jù)會(huì)移動(dòng)到 Q1，Q1 的數(shù)據(jù)移動(dòng)到 Q2，依此類推，直到 Q6 的數(shù)據(jù)移動(dòng)到 Q7。

• 數(shù)據(jù)溢出： 移位寄存器最高位（Q7）的數(shù)據(jù)會(huì)從 QH' 引腳輸出。這正是實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)的關(guān)鍵。

這個(gè)過程重復(fù) 8 次，就可以將 8 位數(shù)據(jù)完整地從 SER 引腳一位一位地移入到移位寄存器中。例如，如果要將字節(jié) 0b10110010 送入，你需要發(fā)送 8 個(gè) SRCLK 脈沖，并在每個(gè)脈沖到來之前將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位設(shè)置在 SER 引腳上。通常的做法是先發(fā)送最高位或最低位，這取決于具體的協(xié)議和實(shí)現(xiàn)。

3.2 存儲(chǔ)寄存器（鎖存器）的工作

存儲(chǔ)寄存器同樣由 8 個(gè) D 觸發(fā)器組成，但這些觸發(fā)器是并行連接的，并且它們的輸入端直接連接到移位寄存器的輸出端。

• 數(shù)據(jù)傳輸： 當(dāng) RCLK 引腳接收到一個(gè)上升沿時(shí)，移位寄存器中當(dāng)前的所有 8 位數(shù)據(jù)會(huì)被同步、并行地傳輸并鎖定到存儲(chǔ)寄存器中。

• 輸出穩(wěn)定： 一旦數(shù)據(jù)被鎖存，它就會(huì)立即反映到 Q0-Q7 的并行輸出引腳上。存儲(chǔ)寄存器的作用是隔離移位寄存器的操作和最終的輸出。這意味著你可以繼續(xù)在移位寄存器中加載新的數(shù)據(jù)，而并行輸出Q0-Q7仍然保持上一次鎖存的數(shù)據(jù)，直到下一個(gè) RCLK 上升沿到來。這對(duì)于避免數(shù)據(jù)在移位過程中對(duì)輸出造成閃爍或不穩(wěn)定狀態(tài)至關(guān)重要。

3.3 清零與輸出使能

• CLR (Master Reset)： 當(dāng) CLR 引腳為低電平時(shí)，移位寄存器會(huì)被強(qiáng)制清零，所有位都變?yōu)?0。這個(gè)操作是異步的，不依賴于時(shí)鐘信號(hào)。存儲(chǔ)寄存器中的數(shù)據(jù)不受影響。在正常工作時(shí)，CLR 應(yīng)該保持高電平。

• OE (Output Enable)： OE 引腳控制著存儲(chǔ)寄存器輸出到 Q0-Q7 引腳的通路。當(dāng) OE 為低電平時(shí)，存儲(chǔ)寄存器的數(shù)據(jù)會(huì)正常輸出。當(dāng) OE 為高電平時(shí)，Q0-Q7 引腳會(huì)進(jìn)入高阻態(tài)，斷開與外部電路的連接。這在需要暫時(shí)關(guān)閉輸出或在多路復(fù)用系統(tǒng)中選擇性地啟用輸出時(shí)非常有用。通常，為了讓 74HC595 正常工作并顯示輸出，OE 引腳會(huì)被連接到 GND。

4. 74HC595 工作時(shí)序

理解時(shí)序圖對(duì)于正確驅(qū)動(dòng) 74HC595 至關(guān)重要。主要涉及三個(gè)時(shí)鐘信號(hào)：SER、SRCLK 和 RCLK。

4.1 數(shù)據(jù)移位時(shí)序

1. 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)： 在 SRCLK 的上升沿到來之前，將要輸入的數(shù)據(jù)位（高或低）設(shè)置在 SER 引腳上。

2. 移入數(shù)據(jù)： 當(dāng) SRCLK 從低電平跳變到高電平（上升沿）時(shí)，SER 引腳上的數(shù)據(jù)被讀入移位寄存器的第一位。同時(shí)，移位寄存器中的所有數(shù)據(jù)都向高位移動(dòng)一位。

3. 重復(fù) 8 次： 重復(fù)步驟 1 和 2 共 8 次，將一個(gè)完整的 8 位字節(jié)數(shù)據(jù)逐位移入移位寄存器。

4.2 數(shù)據(jù)鎖存時(shí)序

1. 加載數(shù)據(jù)： 在 8 位數(shù)據(jù)全部移入移位寄存器之后，確保 RCLK 保持低電平。

2. 鎖存數(shù)據(jù)： 當(dāng) RCLK 從低電平跳變到高電平（上升沿）時(shí)，移位寄存器中的 8 位數(shù)據(jù)會(huì)并行地傳輸并鎖定到存儲(chǔ)寄存器中。

3. 輸出更新： 鎖存操作完成后，Q0-Q7 引腳的輸出會(huì)立即更新為新的數(shù)據(jù)。

4.3 清零與輸出使能時(shí)序

• CLR： 這是一個(gè)異步清零信號(hào)。無論 SRCLK 或 RCLK 的狀態(tài)如何，只要 CLR 引腳從高電平變?yōu)榈碗娖?，移位寄存器就?huì)被立即清零。當(dāng) CLR 恢復(fù)高電平后，移位寄存器才能再次正常工作。

• OE： 這是異步控制輸出的信號(hào)。當(dāng) OE 為高電平時(shí)，Q0-Q7 處于高阻態(tài)；當(dāng) OE 為低電平時(shí)，Q0-Q7 正常輸出存儲(chǔ)寄存器中的數(shù)據(jù)。它的變化不依賴于任何時(shí)鐘信號(hào)。

在實(shí)際操作中，為了避免輸出的抖動(dòng)或閃爍，通常會(huì)在數(shù)據(jù)完全加載到移位寄存器后，再通過一個(gè) RCLK 脈沖將數(shù)據(jù)一次性更新到輸出。SRCLK 和 RCLK 之間應(yīng)該有足夠的時(shí)間間隔，以確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

5. 74HC595 級(jí)聯(lián)應(yīng)用

74HC595 芯片最強(qiáng)大的功能之一就是其級(jí)聯(lián)能力，允許用戶通過僅僅三個(gè)微控制器引腳（或者說一套數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和鎖存引腳）控制任意數(shù)量的輸出。

5.1 級(jí)聯(lián)原理

級(jí)聯(lián)的實(shí)現(xiàn)依賴于 QH' 引腳。前一個(gè) 74HC595 芯片的 QH' （串行數(shù)據(jù)輸出）引腳連接到后一個(gè) 74HC595 芯片的 SER （串行數(shù)據(jù)輸入）引腳。所有級(jí)聯(lián)的 74HC595 芯片共享相同的 SRCLK 和 RCLK 引腳。

當(dāng)數(shù)據(jù)通過第一個(gè)芯片的 SER 引腳移入時(shí)，經(jīng)過 8 個(gè) SRCLK 脈沖后，第一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)完全移入第一個(gè)芯片的移位寄存器。此時(shí)，第一個(gè)字節(jié)的最高位（Q7）會(huì)從 QH' 引腳輸出，并作為第二個(gè)芯片的 SER 輸入。繼續(xù)發(fā)送 SRCLK 脈沖，第二個(gè)字節(jié)就會(huì)被移入第一個(gè)芯片，同時(shí)第一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)一步移入第二個(gè)芯片。

5.2 級(jí)聯(lián)操作流程

假設(shè)我們要級(jí)聯(lián)兩個(gè) 74HC595 芯片來控制 16 個(gè)輸出。

1. 連接：

• 微控制器的 數(shù)據(jù)引腳 連接到第一個(gè) 74HC595 的 SER。

• 微控制器的 時(shí)鐘引腳 連接到所有 74HC595 的 SRCLK。

• 微控制器的 鎖存引腳 連接到所有 74HC595 的 RCLK。

• 第一個(gè) 74HC595 的 QH' 連接到第二個(gè) 74HC595 的 SER。

• 所有 74HC595 的 OE 通常接地。

• 所有 74HC595 的 CLR 通常接 VCC。

2. 數(shù)據(jù)發(fā)送：

• 為了控制 16 個(gè)輸出，我們需要發(fā)送 16 位數(shù)據(jù)。通常，從最后一個(gè)芯片需要的數(shù)據(jù)開始發(fā)送（或者說，從最"遠(yuǎn)"的輸出開始發(fā)送）。例如，如果控制 LED 陣列，通常從最右邊或最底部開始。

• 首先發(fā)送第二個(gè) 74HC595 需要的 8 位數(shù)據(jù)（例如，先發(fā)送低 8 位）。在每次 SRCLK 上升沿到來時(shí)，將數(shù)據(jù)位送入第一個(gè) 74HC595 的 SER。這 8 位數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過第一個(gè)芯片，最終完全移入第二個(gè)芯片的移位寄存器。

• 接著發(fā)送第一個(gè) 74HC595 需要的 8 位數(shù)據(jù)（例如，再發(fā)送高 8 位）。同樣，在每次 SRCLK 上升沿到來時(shí)，將數(shù)據(jù)位送入第一個(gè) 74HC595 的 SER。這些數(shù)據(jù)會(huì)填充第一個(gè)芯片的移位寄存器，同時(shí)之前移入第二個(gè)芯片的數(shù)據(jù)會(huì)保持在第二個(gè)芯片的移位寄存器中。

• 總共需要發(fā)送 16 個(gè) SRCLK 脈沖。

3. 鎖存數(shù)據(jù)：

• 在所有 16 位數(shù)據(jù)都成功移入相應(yīng)的移位寄存器后（第一個(gè) 8 位在第二個(gè)芯片中，第二個(gè) 8 位在第一個(gè)芯片中），產(chǎn)生一個(gè) RCLK 上升沿。

• 所有的 74HC595 芯片會(huì)同時(shí)將它們各自移位寄存器中的數(shù)據(jù)鎖存到存儲(chǔ)寄存器中，并更新并行輸出。

通過這種方式，無論級(jí)聯(lián)多少個(gè) 74HC595 芯片，微控制器都只需要使用相同的 SER、SRCLK 和 RCLK 三個(gè)引腳，極大地節(jié)省了 I/O 資源。

6. 74HC595 應(yīng)用場(chǎng)景與編程思路

74HC595 因其簡(jiǎn)單高效的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種需要擴(kuò)展輸出端口的場(chǎng)景。

6.1 常見應(yīng)用場(chǎng)景

• LED 驅(qū)動(dòng)： 這是最常見的應(yīng)用。通過 74HC595 可以輕松驅(qū)動(dòng)大量的 LED，例如 LED 點(diǎn)陣、LED 廣告牌等。每個(gè) 74HC595 可以控制 8 個(gè) LED。

• 數(shù)碼管顯示： 驅(qū)動(dòng)多位共陰或共陽數(shù)碼管，通過移位寄存器將數(shù)字編碼并行輸出。

• 繼電器控制： 控制多個(gè)繼電器的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高功率設(shè)備的控制。

• 電機(jī)驅(qū)動(dòng)： 控制多個(gè)小功率電機(jī)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的使能/方向引腳。

• I/O 擴(kuò)展： 作為微控制器的通用 I/O 擴(kuò)展器，控制各種數(shù)字輸入/輸出設(shè)備。

6.2 編程思路（以 Arduino 為例）

使用微控制器驅(qū)動(dòng) 74HC595 的基本步驟如下：

1. 定義引腳： 在代碼中定義連接 74HC595 的 SER、SRCLK 和 RCLK 引腳。

2. 初始化引腳： 將這些引腳設(shè)置為輸出模式。

3. 數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)： 編寫一個(gè)函數(shù)，負(fù)責(zé)將一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?74HC595。

• 設(shè)置 SER： 根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)位的狀態(tài)（0 或 1），將 SER 引腳設(shè)置為低電平或高電平。

• 產(chǎn)生 SRCLK 脈沖： 將 SRCLK 置高，然后置低，產(chǎn)生一個(gè)上升沿，將數(shù)據(jù)移入。

• 拉低 RCLK： 在數(shù)據(jù)傳輸開始前，確保 RCLK 為低電平，避免誤鎖存。

• 循環(huán) 8 次： 遍歷要發(fā)送的 8 位數(shù)據(jù)（通常從最高位或最低位開始，取決于習(xí)慣）。

• 拉高 RCLK： 在 8 位數(shù)據(jù)全部移入移位寄存器后，將 RCLK 置高，然后置低（或直接置高，保持短暫時(shí)間），產(chǎn)生一個(gè)上升沿，將數(shù)據(jù)從移位寄存器鎖存到存儲(chǔ)寄存器，更新并行輸出。

• （可選）控制 OE： 如果需要控制輸出的開啟/關(guān)閉，可以根據(jù)需要設(shè)置 OE 引腳。

示例偽代碼：

// 定義引腳
const int SER_PIN = 2;   // 數(shù)據(jù)引腳 (DS)
const int RCLK_PIN = 3;  // 鎖存引腳 (ST_CP)
const int SRCLK_PIN = 4; // 時(shí)鐘引腳 (SH_CP)

void setup() {
  pinMode(SER_PIN, OUTPUT);
  pinMode(RCLK_PIN, OUTPUT);
  pinMode(SRCLK_PIN, OUTPUT);

  // 確保OE始終使能，CLR不復(fù)位
  // 如果OE連接到微控制器引腳，則需要設(shè)置
  // 如果OE接地，則不需要
  // 如果CLR連接到微控制器引腳，則需要設(shè)置
  // 如果CLR接VCC，則不需要
}

// 發(fā)送一個(gè)字節(jié)到74HC595的函數(shù)
void writeByteTo595(byte data) {
  // 1. 拉低RCLK，準(zhǔn)備鎖存
  digitalWrite(RCLK_PIN, LOW);

  // 2. 循環(huán)8次，逐位發(fā)送數(shù)據(jù)
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    // 2.1. 設(shè)置SER引腳：從高位開始發(fā)送
    // data & 0x80 會(huì)取出最高位，然后右移一位
    digitalWrite(SER_PIN, (data & 0x80) ? HIGH : LOW);

    // 2.2. 產(chǎn)生SRCLK上升沿
    digitalWrite(SRCLK_PIN, HIGH);
    digitalWrite(SRCLK_PIN, LOW); // 產(chǎn)生一個(gè)脈沖

    // 2.3. 數(shù)據(jù)左移一位，準(zhǔn)備發(fā)送下一位
    data <<= 1;
  }

  // 3. 拉高RCLK，鎖存數(shù)據(jù)到輸出
  digitalWrite(RCLK_PIN, HIGH);
  // 理論上RCLK應(yīng)該拉高一段時(shí)間后拉低，但很多情況下直接拉高就足以完成鎖存
  // digitalWrite(RCLK_PIN, LOW); // 也可以再拉低，確保脈沖完成
}

void loop() {
  // 示例：從0到255循環(huán)顯示
  for (int i = 0; i < 256; i++) {
    writeByteTo595((byte)i); // 發(fā)送數(shù)據(jù)
    delay(500); // 延時(shí)500ms
  }
}

級(jí)聯(lián)時(shí)的編程：

如果進(jìn)行級(jí)聯(lián)，例如控制兩個(gè) 74HC595（16 位輸出），則需要發(fā)送一個(gè) 16 位的字（word），或者兩個(gè)字節(jié)。在發(fā)送時(shí)，通常將需要出現(xiàn)在**“最后”**一個(gè) 74HC595 上的數(shù)據(jù)先發(fā)送出去，然后是倒數(shù)第二個(gè)，以此類推。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)是逐級(jí)向后移位的。

// 發(fā)送兩個(gè)字節(jié)到級(jí)聯(lián)的74HC595函數(shù)
void writeTwoBytesTo595(byte data2, byte data1) { // data2是給第二個(gè)595的，data1是給第一個(gè)595的
  digitalWrite(RCLK_PIN, LOW);

  // 先發(fā)送給第二個(gè)595的數(shù)據(jù)，它會(huì)先進(jìn)入第一個(gè)595，然后移入第二個(gè)595
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    digitalWrite(SER_PIN, (data2 & 0x80) ? HIGH : LOW);
    digitalWrite(SRCLK_PIN, HIGH);
    digitalWrite(SRCLK_PIN, LOW);
    data2 <<= 1;
  }

  // 再發(fā)送給第一個(gè)595的數(shù)據(jù)
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    digitalWrite(SER_PIN, (data1 & 0x80) ? HIGH : LOW);
    digitalWrite(SRCLK_PIN, HIGH);
    digitalWrite(SRCLK_PIN, LOW);
    data1 <<= 1;
  }

  digitalWrite(RCLK_PIN, HIGH);
}

7. 74HC595 的優(yōu)點(diǎn)與局限性

7.1 優(yōu)點(diǎn)

• 節(jié)省 I/O 口： 這是 74HC595 最核心的優(yōu)勢(shì)。僅需 3 個(gè)微控制器引腳即可控制 8 個(gè)甚至更多的輸出，對(duì)于 I/O 口資源有限的微控制器非常有用。

• 簡(jiǎn)化布線： 由于采用串行輸入，PCB 布線會(huì)比并行輸出的方案更加簡(jiǎn)潔。

• 成本效益： 芯片本身價(jià)格低廉，是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的 I/O 擴(kuò)展方案。

• 易于級(jí)聯(lián)： 方便地?cái)U(kuò)展輸出數(shù)量，滿足大規(guī)?？刂菩枨?。

• 數(shù)據(jù)穩(wěn)定： 鎖存功能確保在移位過程中輸出保持穩(wěn)定，避免閃爍。

7.2 局限性

• 速度限制： 盡管是高速 CMOS 器件，但由于是串行傳輸，刷新速度會(huì)受到限制。對(duì)于需要極高速刷新率的應(yīng)用（如高速掃描顯示），可能不如并行接口。

• 輸出電流有限： 74HC595 的每個(gè)輸出引腳能夠提供的電流是有限的（通常為 35mA），直接驅(qū)動(dòng)大功率負(fù)載（如高亮度 LED、大電流繼電器）需要額外的驅(qū)動(dòng)電路（如 ULN2003 達(dá)林頓管陣列或 MOSFET）。

• 單向傳輸： 74HC595 是單向（串行輸入到并行輸出）的，不能用于讀取輸入信號(hào)。

• 需要時(shí)序控制： 正確的時(shí)序控制對(duì)于其正常工作至關(guān)重要，編程時(shí)需要注意 SRCLK 和 RCLK 的脈沖順序和時(shí)機(jī)。

8. 74HC595 與其他移位寄存器/I/O 擴(kuò)展方案的比較

除了 74HC595，還有其他一些常見的 I/O 擴(kuò)展方案，每種都有其適用場(chǎng)景：

• 74LS164/74HC164： 也是串行輸入并行輸出的移位寄存器，但沒有內(nèi)部鎖存器。這意味著它的輸出會(huì)隨著數(shù)據(jù)在移位寄存器中的移動(dòng)而實(shí)時(shí)變化，可能導(dǎo)致輸出閃爍。適用于對(duì)閃爍不敏感或需要實(shí)時(shí)顯示移位過程的應(yīng)用。

• 74HC165： 串行輸出并行輸入的移位寄存器。與 74HC595 功能相反，用于將并行輸入（如多個(gè)按鈕狀態(tài)）轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，以便用少量引腳讀回微控制器。

• PCF8574/PCF8575 (I2C 擴(kuò)展器)： 這些是基于 I2C 總線的 I/O 擴(kuò)展芯片。它們通過 I2C 協(xié)議與微控制器通信，每個(gè)芯片提供 8 或 16 個(gè)雙向 I/O 口。優(yōu)點(diǎn)是只需兩根線（SDA 和 SCL）即可與微控制器通信，且支持雙向操作。缺點(diǎn)是 I2C 協(xié)議相對(duì)復(fù)雜，速度可能低于 SPI 或直接并行控制。適用于需要雙向 I/O 或希望簡(jiǎn)化布線但不需要極高速度的應(yīng)用。

• MCP23017/MCP23S17 (SPI 或 I2C 擴(kuò)展器)： 提供 16 個(gè)雙向 I/O 口，支持 SPI 或 I2C 接口。功能更強(qiáng)大，具有中斷引腳等高級(jí)特性。

• IO Expander (通用)： 市面上還有很多其他類型的 I/O 擴(kuò)展芯片，例如基于 SPI 的 GPIO 擴(kuò)展器，它們通常提供更靈活的配置和更多的 I/O 口數(shù)量。

選擇哪種 I/O 擴(kuò)展方案取決于項(xiàng)目的具體需求，包括所需的 I/O 口數(shù)量、數(shù)據(jù)傳輸速度、雙向通信需求、布線復(fù)雜性、成本和編程便利性等因素。74HC595 在其特有的應(yīng)用領(lǐng)域（大量單向輸出）中，仍然是性價(jià)比高、易于使用的優(yōu)秀選擇。

9. 總結(jié)

74HC595 是一款功能強(qiáng)大且易于使用的 8 位串行輸入、并行輸出移位寄存器。其核心工作原理在于利用串行移位寄存器接收數(shù)據(jù)，并通過存儲(chǔ)寄存器（鎖存器）將數(shù)據(jù)并行地輸出并保持穩(wěn)定。通過對(duì) SER、SRCLK 和 RCLK 這三個(gè)關(guān)鍵引腳的時(shí)序精確控制，微控制器能夠高效地?cái)U(kuò)展其輸出能力。

它的級(jí)聯(lián)特性進(jìn)一步增強(qiáng)了其可用性，使得僅憑微控制器的幾個(gè)引腳就能控制數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)輸出，為 LED 矩陣、多路繼電器控制等應(yīng)用提供了極大的便利。理解其引腳功能、內(nèi)部工作流程和時(shí)序圖是成功使用 74HC595 的基礎(chǔ)。盡管存在速度和電流輸出的局限性，但在許多常見的電子項(xiàng)目中，74HC595 仍然是實(shí)現(xiàn) I/O 擴(kuò)展的首選解決方案之一。