第四章-MCS-51单片机时钟与复位电路

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图4.1 MCS-51振荡电路及外部时钟源的连接
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参数选择：
⑴ 电容C1，C2 对频率有微调作用，电容一般取值5～30pF，典型
值为30pF； ⑵ 晶振CYS 选择范围为1.2 ～12MHz，典型值为6 MHz和12MHz。
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2.外部引入方式
此时， RC 22106 1103 22ms
当按下按钮时，RST端电位： （1000/1200）×5=4.2V，使单片机复位。
4.8 上电外部复位电路
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（4）抗干扰复位电路
4.9 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4.9给出了两种实用电路。
由图4.3所示，ALE信号在一个机器周期内两次有效，第 一次在S1P2和S2P1期间，第二次在S4P2和S5P1期间，ALE信 号的有效宽度为一个S状态。每出现一个ALE信号，CPU就可 进行一次取指操作。
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图4.3 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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4.10 掉电保护电路
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如4.10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 止，并依靠VPD引脚提供的电源来保护片内RAM中的数据。
因此，CHMOS型单片机特别适用于低功耗应用的场合。
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待机(空闲)方式和掉电(停机)方式都是由专用寄存器 PCON(电源控制寄存器)中的有关位来控制的，其格式及各位 的作用如下：
(1)SMOD：波特率倍增位。在串行口工作方式1、2或3下， SMOD＝1使波特率加倍。
(2)GFl和GF2：通用标志位。由软件置位、复位。
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复位后各寄存器的初态如下表4-1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。
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图4.2 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 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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图4.3（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次 读操作都是无效的。
图4.3(d)是访问外部数据存储器的指令MOVX的时序， 它是一条单字节双周期指令。在第—个机器周期S5开始时， 送出外部数据存储器的地址，随后读或写数据，读写期间在 ALE端不输出有效信号；在第二个机器周期，即外部数据存 储器被寻址和选通后．也不产生取指操作。
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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单片机指令包含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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四、取指令和执行指令时间
MCS-51系列单片机的指令按其长度可分为：单字节 指令，双字节指令和三字节指令。
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。
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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 方式称为掉电保护。掉电保护电 路如图4.10所示：
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时序的共同点： 每一次ALE信号有效，CPU均从ROM中读取指令码（包
括操作码和操作数），但不一定有效，读了之后再丢弃（假 读）。
有效时，PC+1→PC不变（程序计数器PC不加1）；无 效时不变。其余时间用于执行指令操作功能，但在时序中没 有完全反映出。如双字节单机器周期，分别在S1、S4读操作 码和操作数，执行指令就一定在S2、S3 、S5 、S6中完成。
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(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，进入持机工作方式。
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。 在待机方式下，振荡器继续运行，时钟信号继续提
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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（节拍）、状态周期、机器周期和指令周期。
⒈ 时钟周期（节拍，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4.2所示：
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图4.3（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 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。
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 的24mA降为3mA，甚至更低。
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图4.4 8051复位电路内部结构
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CHMOS型的单片机复位结构如图 4.5所示，此处复位引脚只是单纯 的称为RST，而不是RST／VPD，因 为CHMOS单片机的备用电源也由 VCC引脚提供。
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图4.5 CHMOS型单片机的复位结构
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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。
图4.7 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4.8所示，
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，
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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。
顺序如下图所示：
取指
分析
执行
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。如右图或 图4.1（a）所示。
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。