单片机时钟信号和复位电路设计知识准备

为完成本章实验，读者应具备以下相关知识。

1.单片机的最小系统

单片机的最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括单片机、电源电路、晶振电路、复位电路。图2.1.1为51（增强型）单片机的最小系统电路图。

图2.1.1　51（增强型）单片机的最小系统电路图

（1）电源电路

AT89C52单片机工作电压范围为4.5V～5.5V，使用时只需把1个5V的直流电源正极接于40引脚，负极接于20引脚即可。

特别提示：对于31脚，当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行；当接低电平时，复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。这一点是初学者容易忽略的。

（2）晶振电路

51单片机内部有产生振荡信号的放大电路，因此，可以用两种方式产生单片机需要的时钟：一种是内部方式，另一种是外部方式。

①内部方式。所谓内部方式，就是利用单片机内部的放大电路和外接晶振等器件构成的振荡电路。

51单片机内部有一个高增益的反相放大器，反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，两端接晶振及两个电容，就可以构成稳定的自激振荡器，如图2.1.2所示。电容C1和C2通常取30pF左右。这两个电容的主要作用是过滤掉晶振部分的高频信号，让晶振工作的时候更加稳定。

图2.1.2　内部方式的晶振电路

对51系列，其振荡频率一股为fosc=0～24MHz，有的甚至更高。典型的晶振频率取值为11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通信的场合），或者12MHz（产生精确的μs级时歇，方便定时操作）。

②外部方式。外部方式就是使用外部的时钟信号，接到XTAL1或XTAL2引脚上，给单片机提供基本振荡信号。

采用外部方式时，需要区分单片机的制造工艺，不同的制造工艺，外部时钟信号有不同的接入方法。表2.1.1给出了不同制造工艺单片机时钟信号的接入方法。

表2.1.1　单片机外部时钟接入方法

（3）复位电路

51单片机与其他微处理器一样，在启动工作时先要进行复位，使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始运行。实现复位的方法是通过复位电路，给单片机复位引脚加复位电平（让复位引脚出现一小段时间的高电平）。

51单片机第9引脚RST即为复位引脚，高电平有效。在时钟电路工作之后，当外部电路使得RST端出现2个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平，系统内部复位；在上电时，由于振荡器需要一定的起振时间，该引脚上的高电平必须保持10ms以上才能保证有效复位。

复位有两种方式：上电自动复位和手动复位，图2.1.3给出了两种方式对应的电路。(www.xing528.com)

图2.1.3　复位电路

上电自动复位是在加电瞬间通过电容充电来实现的，如图2.1.3（a）所示。在通电瞬间，电容C3通过电阻R1充电，RST端出现高电平而实现复位。RST引脚高电平持续的时间，取决于复位电路的时间常数R1C3之积，大约是0.5 R1C3左右。电容C3的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10～30uF（推荐C3取10uF），原则就是要让R1C3组合可以在RST脚上产生不少于2个机器周期的高电平。

对于CHMOS型单片机，在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部的电阻去掉，由于下拉电阻较大，因此外接电容C可减至1uF。

所谓手动复位，就是使用按键，按键按下使单片机进入复位状态。图2.1.3（b）所示电路具有上电自动复位和手动复位功能。显然，按键未按下时电路具有上电自动复位功能；按键按下后，电阻R1导通一定的时间，从而给RST引脚提供高电平以实现复位。如果RST引脚一直保持高电平，单片机将循环复位。

2.振荡周期（晶振周期）、机器周期和指令周期

在单片机中，泛意的时钟信号包括：振荡信号、机器周期信号、指令周期信号。

（1）振荡周期（晶振周期）

振荡周期为晶振的振荡周期，是最小的时序单位。若时钟晶体的振荡频率为fosc，则振荡周期为：Tosc=1/fosc。

（2）机器周期

机器周期指CPU访问一次存储器所需要的时间。机器周期是量度时间的基本单位。本实验指导书所涉及的AT89C52单片机1个机器周期包含12个振荡周期。机器周期计算：设单片机的振荡频率fosc为12MHz，则机器周期为1μs。若振荡频率为6MHz，则机器周期为2μs。

（3）指令周期

指令周期指CPU执行一条指令所需要的时间。指令周期用机器周期量度。不同的指令有不同的指令周期，包括单机器周期、双机器周期、4机器周期3种。

3.各特殊功能寄存器默认的复位值

MCS-51单片机与其他微处理器一样，在启动工作时先要进行复位，使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始运行。复位后，各特殊功能寄存器的状态如表2.1.2所示。

表2.1.2　各特殊功能寄存器的复位值

表2.1.2中复位值的“×”，表示其值不确定，实际上这些位当前都没有使用。记住SFR的复位值，在程序设计中是很有帮助的。进行分类很容易记住。

·P0～P3：FFH

·SP：07H

·SBUF：不确定

·其余：00H（“×”位均可以0计）

内部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时，RAM的内容是不确定的。