第2章 MCS-51单片机时钟与复位电路

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无论对HMOS还是CHMOS型，当振荡器正在运行的情况下， 复位是靠在RST／VPD或RST引脚至少保持两个机器周期的
高电平而实现的。在RST端出现高电平后的第2个周期，执
行内部复位，以后每个周期重复—次，直至RST端变低。 RST端的外部复位电路有两种操作方式： 上电复位和按键手动复位（人工复位）
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一、时钟的基本概念
1.单片机的工作原理： 取一条指令、译码、进行微操作，再取一条指令、译码、 进行微操作，这样自动地、—步一步地由微操作按次序完成 相应指令规定的功能。单片机的时钟信号用来为单片机芯片 内部的各种微操作提供时间基准，机器启动后，指令的执行 顺序如下图2.10所示： 取指 分析 执行
的24mA降为3mA，甚至更低。
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终止待机有以下两种方法：
① 通过硬件复位 由于在待机方式下，RST脚上的有效信号只需保持两个时 钟周期就能使IDL置“0”，单片机即退出待机状态。 注意，为了防止对端口的操作出现错误，置空闲方式。 下一条指令不应该为写端口或写外部RAM的指令。 ② 通过中断方法 若在待机期间，任何一个允许的中断被触发，IDI都会被 置为“0”，从而结束持机方式。单片机进入中断服务程序。 这时，通用标志GFO或GFI可用来指示中断是正常操作期间还 是在待机期间发生的。
通信情况下选用12MHz。）
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2.外部引入方式
外部引入方式常用于多片单片机组成的系统中，以便
各单元之间的时钟信号同步运行。 对于HMOS型单片机（如8051），可用来输入外部脉冲
信号，如图2.12（b）所示，XTAL1（19）接地，XTAL2（18）
接外部时钟，由于XTAL2（18）的逻辑电平与TTL电平不兼容， 所以应接一个上拉电阻。 对于CHMOS单片机（如80C51），外部时钟要由XTAL1 引入，而XTAL2引脚应悬空。如图2.11（c）所示。
(3)PD：掉电方式位。若PD＝1，进入掉电工作方式。 (4)IDL：待机方式位。各IDL＝1，进入持机工作万式。 当PD扣IDL同时为l，则先进入掉电工作方式。复位后， PSON中所有定义位均为“0”。
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（1）待机方式
用指令使PCON中的IDL位置1，80C51就进入待机方式。
方式称为掉电保护。掉电保护电
路如图2.16所示：
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2.16 掉电保护电路
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如图2.16所示，当电源电压VCC降到CPU工作电源电 压所允许的最低下限之前，通过中断服务程序，把一些必 须保护信息转存到片内RAM中，然后向P1.0写入“0”，由 P1.0输出的低电平触发单稳态电路555。 在主电源恢复之前，片内振荡器被封锁，一切功能停
含12个节拍（时钟周期），依次表示为：S1P1、S1P2、 S2P1、…S6P1、S6P2。若采用12MHz的晶振时，则一个机器 周期为1μs；若采用晶振6MHz时，则一个机器周期为2μs。
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4. 指令周期
是CPU执行一条指令所需要的时间为指令周期。 MCS-51单片机包含1个或2个或4个机器周期。 若采用6MHz晶振，则振荡周期为1/6μs，机器周期为 2μs、4μs或8μs。
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（1）上电复位
如图2.12所示，上电复位电路是利 用电容器充电实现的。上电瞬间，RST端的 电位与VCC相同，随着电容的逐步充电，充 电电流减小。RST电位逐渐下降。上电复位 所需的最短时间是振荡器建立时间加上两 个机器周期。在这段时间内，RST端口的电 平应维持高于斯密特触发器的下阈值。— 般VCC的上升时间不超过1ms，振荡器建立 时间不超过10ms。 复位电路的典型值： 电容C取10μF，R取8.2KΩ。 故时间常数 RC 10 106 8.2 103 82ms 足以满足要求。
上电瞬间，C与Rx构成充电电路，RST引
脚出现正脉冲，只要RST保持足够的高电平， 就能使单片机复位。
参数选择：
一般取C＝22μF，R＝200Ω,Rx＝1KΩ， 此时， RC 22 106 1103 22ms 当按下按钮时，RST端电位： （1000/1200）×5=4.2V，使单片机复位。
2.概念 ⑴ 时序：各指令的微操作在时间上有严格的次序，这 种微操作的时间次序称作时序。 ⑵ 时钟电路：用于产生单片机工作所需要时钟信号的 电路成为时钟电路。
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二、振荡器和时钟电路
时钟信号有两种方式：内部振荡器方式；外部引入方式 1.内部振荡器方式
MCS-51单片机内部有一个高增益的 反相放大器，其输入端为引脚 XTAL1（19），输出端为引脚XTAL2 （18），用于外接石英晶体振荡器 或陶瓷谐振器和微调电容，构成稳 定的自激振荡器，其发出的脉冲直 接送入内部的时钟电路。如图2.11 或2.12（a）所示。
在待机方式下，振荡器继续运行，时钟信号继续提 供给中断逻辑。串行口和定时器，但提供给CPU的内部时 钟信号被切断，CPU停止工作。这时，堆栈指针SP、程序 计数器PC、程序状态字PSW、累加器ACC以及所有的工作寄
存器内容都被保存下来。
通常CPU耗电量占芯片耗电量的80％～90％，所以 CPU停止工作就会大大降低功耗。80C51消耗电流可由正常
进行一次取指操作。
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图2.14 MCS-51单片机的去取指/执行时序
a）单字节单周期；b）双字节单周期指令；c）单字节双周期字节；d）双字节双周期指令
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图2-14（a）与（b）分别为单字节单周期和双字节单周
期指令的时序。 对于单周期指令，在把指令码读入指令寄存器时，从
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2.14 上电外部复位电路
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（4）抗干扰复位电路
2.15 两种实用复位电路 上面几种复位电路，干扰信号易串入复位端。一般情况不会造成单片机 的错误复位，但有可能引起内部某些寄存错误复位。在应用系统中，为了 保证复位电路可靠地工作，常将RC电路在接施密特电路后再接入单片机复 位端及外围电路复位端。图2.15给出了两种实用电路。
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二、掉电处理 1.掉电保护方式
掉电保护：单片机如遇到掉电， 将导致片内RAM和SFR中的信息丢
失。为避免发生此种情况，把
HMOS型的8051单片机RST/VPD引脚 作为备用电源，只要VCC上的电压
低于VPD上的电压时，备用电源就
通过VPD端给内部RAM供电，以低 功耗保持内部RAM中的数据，这种
S1P2开始执行指令。
如果它为双字节指今，则在同一机器周期的S4读入第二 字节；
如果它为单字节指令，则在S4仍旧进行读操作，但读入
的字节(它应是下一个指令码)被忽略，而且程序计数据不 加1。在任何情况下，在S6P2结束指令操作。
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图2.14（c）为双字节单周期指令的时序，在两个机 器周期内发生4次读操作码的操作，由于是单字节指令，后3
表2-7 寄存器的复位状态
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2. 复位电路
HMOS型8051复位结构如图2.10所示。
复位引脚RST/VPD(它是掉电方式下 内部RAM的供电端VPD)通过一个施
密特触发器与复位电路相连。施密
特触发器用来抑制噪声，它的输出 在每个机器周期的S5P2由复位电路 采样一次。 RST引脚时复位信号的输入端，复
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三、时序单位
基本概念：
MCS- 51时序的定时单位共有4个，从小到大依次是：时 钟周期（拍节）、状态周期、机器周期和指令周期。 ⒈ 时钟周期（拍节，振荡周期）：是指振荡器产生一个 振荡脉冲信号所用的时间，是振荡频率的倒数，称为节 拍，为最小的时序单位。
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2.状态周期：指振荡器脉冲 信号经过时钟电路二分频之 后产生的单片机时钟信号的 周期（用S表示）称为状态
周期。故1个状态周期S包含
2个节拍，前一时钟周期称 为P1拍，后一个时钟周期称 为P2拍。如图2.13所示：
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图2.13 80C51单片机时钟信号
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3. 机器周期：是指CPU完成某一个规定操作所需的时间。
MCS-51单片机的一个机器周期包含6个状态，并依次
表示为：S1～S6，每个状态分为2个拍。故一个机器周期包
止，并依靠VPD引脚提供的电源来保护片内RAM中的数据。
当电源恢复时，VPD上的电压应保持足够的时间（约 10ms），以完成复位操作，然后开始正常的工作。
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2.节电工作方式
对于CHMOS型单片机（如80C51）才有节电方式。
有两种：待机（空闲）方式；掉电保护（停机）方式。
⑴ 持机(空闲)方式：可使功耗减小，电流约为1.7～5mA； ⑵ 掉电(停机)方式：备用电源直接由VCC端输入，可仅 功耗减到最小，电流一般为5～50uA。 因此，CHMOS型单片机特别适用于低功耗应用的场合。
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2.12 上电复位电路
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（2）外部复位电路
外部复位电路如图2.13所示， 按下按钮时，电源对外接电容器充 电，使RST为高电平，复位按钮松 开后，电容通过内部下拉电阻放电， 逐渐使RST端恢复低电平。
2.13 外部复位电路
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⑶ 程序计数器指针PC
典型的复位电路既具有上电复位又具有 外部的复位电路如图2.14所示，
单片机复位后，PC内容初始化为0000H，那么单片机
就从0000H单元开始执行程序。片内RAM为随机值，运行 中的复位操作不改变片内RAM的内容。
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复位后各寄存器的初态如下表2-7所示，其意义为： ⑴ P0~P3=FFH，相当于各口锁存器已写入1，此时可用于输出/输入； ⑵ SP＝07H，堆栈指针指向片内RAM的07H单元（第一个入栈内容将写入 08H中）； ⑶ IP、IE和PCON的有效值为0，各中断源处于低优先级且均被关断，串 行通信的波特率不加倍； ⑷ PSW＝00H，当前工作寄存器为0组。