淺談單片機最小系統

2021-05-23
我們已經(jīng)大概知道了單片機是一個(gè)什么東西，那么接下來(lái)我們就正式開(kāi)始單片機的學(xué)習吧。
單片機是一門(mén)實(shí)踐性很強的課程，假如單純的去學(xué)習理論知識，而不實(shí)踐，是很難完全把握單片機的。

單片機雖然是一個(gè)只能化的集成芯片，其本質(zhì)上還是一個(gè)電子元件的。既然是電子元件，那么，就必須在一定的電路中才能運行起來(lái)，才能實(shí)現它的功能。這就像電阻一樣，如果把一個(gè)電阻獨立的放著(zhù)，是沒(méi)有任何意義的，只有將電阻接在電路中，才能實(shí)現它的功能，畢竟是分壓，分流，還是限流，還得看詳細電路。


單片機里雖然集成了很多電路，但仍舊不能獨立運行，必須要外連一些電路，才能使單片機運行起來(lái)。這種能使單片機工作的最簡(jiǎn)電路，我們叫做單片機最小系統。圖2-1中，有40個(gè)引腳的就是AT89C51單片機，這是單片機家族眾多型號中的一種，為什么選擇這個(gè)單片機來(lái)學(xué)習呢，是因為這款單片機的核心是MCS-51單片機，而MCS-51單片機是一款非常經(jīng)典的單片機，簡(jiǎn)樸易學(xué)，而且資料非常豐富。當然，如果有特別的需求，也可以選擇其他的單片機進(jìn)行學(xué)習。

閑話(huà)少說(shuō)，現在我們就來(lái)分析圖2-1所示電路。

首先，我們來(lái)看看單片機的時(shí)鐘電路，如上圖用紅圈包著(zhù)的并且有晶振兩字的部分。通過(guò)連接一個(gè)晶振和兩個(gè)30pF的電容，構成了單片機的時(shí)鐘電路。晶振是一種能夠輸出穩定的震蕩周期的元件，通過(guò)它，單片機才能有了時(shí)間的概念。

不過(guò)晶振并不能獨立的使用，必須配合合適的負載電容，否則會(huì )產(chǎn)生錯誤，或者是使晶振不能工作。

負載電容的選擇可以根據單片機的技術(shù)文檔上的說(shuō)明來(lái)選擇。對于51單片機一般選擇不大于40pF的瓷片電容。既然我們知道由晶振和晶振負載電容組成的時(shí)鐘振蕩電路，那么為什么要加這個(gè)電路呢？

我們來(lái)看一個(gè)例子：

一個(gè)人在某一時(shí)刻，在正常情況下是只能做一件事請（當然三心二意的不算），可是一個(gè)人卻不可能一整天就做一件事啊，于是我們得把這一天需要做的事按照某一個(gè)時(shí)間順序進(jìn)行安排，那么用什么東西來(lái)對時(shí)間進(jìn)行劃分呢？智慧的古代人在很早就是用了日晷來(lái)進(jìn)行時(shí)間的標記，通過(guò)日晷，將一日劃分成12個(gè)等分，就是我們常說(shuō)的時(shí)辰。有了，時(shí)辰這個(gè)時(shí)間概念，我們就可以方便的進(jìn)行時(shí)間安排了單片機是一個(gè)智能設備，能處理很多事情，那么這些事情的安排，又是怎樣實(shí)現的呢？

為了給單片機一個(gè)“日晷”，我們使用了能夠輸出振蕩時(shí)鐘的晶振。通過(guò)晶振輸出的時(shí)鐘脈沖，來(lái)安排單片機的工作。于是，我們就能對單片機做一些安排，第一個(gè)時(shí)鐘脈沖出現，單片機做什么，第二個(gè)時(shí)鐘脈沖出現，單片機又做什么？……第n個(gè)時(shí)鐘脈沖出現，單片機又做什么……一直這樣的安排下去，我們就能通過(guò)使用單片機來(lái)實(shí)現我們想要做的事了，而我們這種安排從專(zhuān)業(yè)的角度上來(lái)講就叫做編程。

其次，我們來(lái)看看，51單片機的復位電路，它由一個(gè)10uF的電容和一個(gè)4.7K的電阻組成。為什么要這樣接線(xiàn)了，原因是這樣的：在設計51單片機的時(shí)候，規定在51單片機的第9引腳為復位功能引腳。當在這個(gè)引腳有連續兩個(gè)以上機器周期（2us以上）【注2】的高電平時(shí)，這個(gè)單片機就會(huì )復位。而我們的電路設計是，電容充電的瞬間，是導通，在這個(gè)瞬間，電流通過(guò)電容器，然后想電阻方向放電，此時(shí)，電容的“-”端就能有一個(gè)很高的電勢，在高于3V的情況下，均可認為是高電平。而電容的充電是有時(shí)間的，當選擇合適的電容，其充電時(shí)間會(huì )大于2us，這時(shí)，復位的條件就成立了。當然，我們?yōu)榱四軌蚋€定的復位，我們經(jīng)常會(huì )把單片機的復位引腳的高電平時(shí)間控制得更長(cháng)一點(diǎn)，通常會(huì )達到ms級別。

你也許會(huì )問(wèn)，為什么要復位呢？

在我回答你的問(wèn)題之前，我先反問(wèn)你幾個(gè)問(wèn)題，如果能將這幾個(gè)問(wèn)題解決了，那么你的答案也能夠找到了。

問(wèn)題1：當你要做一件事的時(shí)候，是希望從什么地方開(kāi)始？是重最初位置開(kāi)始，還是中間階段亦或者是末尾階段。

問(wèn)題2：當你的機器出現故障了，你希望他能還能回到正常工作？

顯然，我們在開(kāi)始工作或是出現故障時(shí)，都希望能回到原來(lái)的初始狀態(tài)下。

那么，我們的答案躍然紙面，復位的作用是時(shí)單片機的工作能回到設定的最初工作狀態(tài)下開(kāi)始工作。

知道了復位和晶振電路，現在讓我們來(lái)看看，單片機右邊的電路，該電路時(shí)將單片機的31引腳EA上接到電源VCC端。

在單片機的引腳定義中，EA口是訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器使能端，因為在“EA”這兩個(gè)字母上加了一個(gè)橫線(xiàn)，就表示，在該引腳，是低電平有效，（在數字電路數，常用這種方法表示，如果字母上邊沒(méi)有橫線(xiàn)，就表示高電平有效，有橫線(xiàn)，就表示低電平有效）即當“EA”引腳為低電平時(shí)，就直接訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器。

當EA引腳為高電平時(shí)，訪(fǎng)問(wèn)內部存儲器，當要訪(fǎng)問(wèn)的存儲器地址，超出內部存儲器的地址范圍時(shí)，自動(dòng)會(huì )訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器相應的地址。

我們現在使用的單片機，我們學(xué)習用的單片機是有內部存儲器的，其存儲器空間為4kb，為了不浪費這些存儲空間，我們就將EA引腳直接接高電平，這樣單片機會(huì )首先運行內部存儲器的程序。不過(guò)，有一種單片機除外，那就是8031單片機，該單片機也是基于8051單片機內核的，不過(guò)，在設計這種單片機時(shí)，是沒(méi)有將存儲器集成在單片機里邊的，需要外置存儲器，這時(shí)，這必須將EA引腳接地，否則，該單片機沒(méi)辦法工作。

常常有人說(shuō)，單片機系統，單片機是整個(gè)系統中最重要的部分，可是我卻覺(jué)得并不是這樣的，既然是一個(gè)系統，那么系統中的各部分都是統一不可分割的，缺了任何哪一部分，單片機系統就不能正常的工作。就像一個(gè)人身上，并不是除了大腦其他器官就都不怎么重要一樣，事實(shí)上其他器官也非常重要。

單片機是一個(gè)電子設備，所以必須要有電源才能工作，否則，任你能力再強，也就一個(gè)小小什么都不是的“黑色百腳怪”。

我們使用的51單片機需要在+5V的直流電的壞境下，才能夠穩定的工作（并不是所有的單片機都是工作在+5V，有的低電壓?jiǎn)纹瑱C的工作電壓為3.3V，有的甚至更低）。而在直流電源中，一般會(huì )有正電源和地兩根線(xiàn)。單片機的接+5V的引腳為40引腳VCC，而接地引腳為20引腳GND。

供應單片機工作的+5V直流電源，必須是很穩定的，否則可能會(huì )導致單片機頻頻復位，這在單片機正常工作中，是必須避免的，除非是有特定需要或者是出現故障。

單片機時(shí)鐘周期

在幾十年前，因為技術(shù)原因，單片機的速度很慢，晶振的時(shí)鐘脈沖相對于單片機來(lái)說(shuō)太過(guò)迅速，無(wú)法做到來(lái)一個(gè)脈沖就執行一條指令，為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們偉大的工程師就做出了一點(diǎn)點(diǎn)改進(jìn)，設定為幾個(gè)脈沖出現，才執行一次指令，這樣，單片機的速度就能夠按照時(shí)鐘工作了。

這就像秒對于我們一般人來(lái)說(shuō)，也太過(guò)細，我們在日常工作中很難精確到秒，為了解決這一問(wèn)題，就出現了分和小時(shí)這些時(shí)間概念。

在51單片機中，晶振輸出的脈沖周期為脈沖周期，12個(gè)脈沖周期為機器周期，單片機工作時(shí)間的最小單片機是機器周期。