第4讲：单片机硬件基本组成电路

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练习
• 基于proteus软件搭建单片机最小应用系统， 并观察复位现象，硬件部分包括部分： １、单片机 ２、复位电路、时钟电路 ３、ＬＥＤ显示部分 • 改变系统时钟频观察延迟程序的时间，思 考原因。
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§2.5.1 复位操作的主要功能
一、复位是单片机的初始化操作。 二、主要功能： 三、寄存器的复位状态：
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复位操作主要功能
• 程序地址指针PC初始化为0000H，使单 片机从0000H单元开始执行程序 • 当由于程序运行出错或操作错误使系统 死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复 位键重新启动。
VCC
经电阻与VCC
电源接通而实 现。
C 22μF
R2
1KΩ
RST/VPD
VSS
图 2-16 (b) 按键电平复位电路
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§2.6
89C51单片机的低功耗工作方式
• 89C51属于CHMOS的单片机，运行时耗电少，而且还提供两种 节电工作方式，即空闲（等待、待机）方式和掉电（停机）工作 方式，以进一步降低功耗。 • 图2-17所示为实现这两种方式的内部电路。
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只要Vcc的上升时间 不超过1ms，就自动 上电复位，即接通
VCC
89C51
VCC
C 22μF
R
1K Ω
RST/VPD
电源就完成了系统
复位。
VSS
图 2-16 (a) 上电复位电路
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通过使复位端
RESET R1
200Ω
VCC
89C51
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§2.6.2 空闲（等待、待机）工作方式
•进入空闲方式后，有两种方法可以使系统退出空闲方式。
•一是任何的中断请求被响应都可以由硬件将PCON.0（IDL）清0而中止空 闲工作方式。 •当执行完中断服务程序返回到主程序时，在主程序中，下一条要执行 的指令将是原先使IDL置位指令后面的那条指令。PCON中的通用标志 位GF1和GF0可以用来指明中断是在正常操作还是在待机方式期间发 生的。在待机方式时，除用指令使IDL=1外，还可先用指令使GF1或 GF0置1。当由于中断而停止待机方式时，在中断服务程序中可以检查 这些标志位，说明是从待机方式进入中断的。
指令周期=（1～4）机器周期=1～4 μs 4个时序单位从小到大依次是节拍（振荡脉冲周期，1/fOSC）、
状态周期（时钟周期）、机器周期和指令周期，如图2-13
所示。
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图2-13
89C51单片机各种周期的相互关系
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§2.5
复位操作
• §2.5.1 复位操作的主要功能 • §2.5.2 复位信号及其产生 • §2.5.3 复位电路
因此，一个机器周期中的12个振荡周期表示为 S1P1，S1P2，S2P1，·，S6P1，S6P2。 · · 若采用6MHz晶体振荡器，则每个机器周期为多少？
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机器周期 设:晶体振荡器频率 fosc=6MHz, 则:振荡周期=1/fosc=1/6 μ s（微秒） 因为:一个机器周期包括12个振荡周期, 所以:一个机器周期=12*(1/6) μ s（微秒） = 2μ s（微秒）
第4讲： 单片机基本组成电路
知识目标：1、掌握时钟电路及MCU时序 2、掌握复位电路及复位操作 技能目标：构建单片最小系统
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ห้องสมุดไป่ตู้
§2.4
时钟电路及89C51 CPU时序
片内时钟信号的产生 CPU取指、执指时序
§2.4.1 §2.4.2
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§2.4.1 片内时钟信号的产生
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表2-8 各特殊寄存器的复位值
寄存器 PC ACC PSW SP DPTR P0-P3 IP IE TMOD
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复位状态 0000H 00H 00H 07H 0000H FFH ××000000B 0×000000B 00H
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寄存器 TCON TL0 TH0 TL1 TH1 SCON SBUF PCON
每条指令的指令周期都由一个或几个 机器周期 组成。有单周期指令、双
周期指令、和四周期指令。机器周期 数少则执行速度快。 如图所示 其指令周期各为多少？
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指令周期
•
• • •

设振荡周期为6MHz，则一个机器周期为 2μ s（微秒）。 单周期指令：指令周期为 2μ s（微秒） 双周期指令：指令周期为 4μ s（微秒） 四周期指令：指令周期为 8μ s（微秒）
在对应的SFR中，ALE和PSEN都为低电平。
•退出掉电方式的惟一方法是由硬件复位，复位后将所有特殊功能寄存 器的内容初始化，但不改变片内RAM区的数据。 •在掉电工作方式下，VCC可以降到2 V，但在进入掉电方式之前， VCC不能降低。而在准备退出掉电方式之前，VCC必须恢复正常的工 作电压值，并维持一段时间（约10 ms），使振荡器重新启动并稳定后 方可退出掉电方式。
89C51单片机的低功耗工作方式
图2-17 空闲和掉电方式控制电路
图2-17中，PD和IDL均为PCON中PD和IDL触发器的输出端。
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§2.6.1 方式的设定
•空闲方式和掉电方式是通过对SFR中的PCON（地址87H)相应位置1 而启动的。 •图2-18所示为89C51电源控制寄存器PCON各位的分布情况。HMOS 器件的PCON只包括一个SMOD位，其他4位是CHMOS器件独有的。 •3个保留位用户不得使用，因为硬件没有做出安排，可能在今后的 MCS51新产品中代表某特定的功能。
复位状态 00H 00H 00H 00H 00H 00H 不定 0×××0000B
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§2.5.2 复位信号及其产生
一、复位信号：
RST引脚为复位信号输入端。 当RST引脚为高电平，且有效时间持续24个 振荡周期以上，才能复位。
二、产生复位信号的电路逻辑图：
如图2-15所示。
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• 由图2-17可见，若IDL=0，则89C51将进入空闲运作方式。在这 种方式下，振荡器仍继续运行，但IDL封锁了去CPU的“与”门， 故CPU此时得不到时钟信号。而中断、串行口和定时器等环节却 仍在时钟控制下正常运行。掉电方式下（PD=0），振荡器冻结。
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§2.6
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2、机器周期和指令周期
一、机器周期：
二、指令周期：
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计算机的一计算机的一条指令由若干个字节组
机 器 周 期
如图所示 返 回
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成。执行一条指令需要多长时间则以机器周期 为单位。 一个机器周期是指CPU访问存储器一次所需的 时间。例如，取指令、读存储器、写存储器等等。 一个机器周期包括12个振荡周期，分为6个S状 态：S1~S6。 每个状态又分为两拍，称为P1和P2。
• 89C51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振 荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为 XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳 定的自激振荡器。电容器Ｃ１和Ｃ２通常取30 pF左右， 可稳定频率并对振荡频率有微调作用。振荡脉冲频率 范围为fOSC=0～24 MHz。
• 晶体振荡器的频率为fOSC，振荡信号从XTAL2端输入 到片内的时钟发生器上，如图2-12所示。
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RST/VPD
D2 D1
施密特触发器
复位电路
VCC
片内RAM VSS
图 2-15 复位电路逻辑图
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§2.5.3 复位电路
1、上电自动复位：
是通过外部复位电路的电容充电实现。 如图2-16(a)所示。
2、手动复位：
按键电平复位方式：如图2-16(b)所示。 按键脉冲复位方式：如图2-12(c)所示。
4种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其他时
间值（例如，波特率、定时器的定时时间等）的基本时序 单位。
下面是单片机外接晶振频率12 MHz时的各种时序单位的大小。
振荡周期=1/fOSC=1/12 MHz=0.083 3 μs 状态周期=2/fOSC=2/12 MHz=0.167 μs
机器周期=12/fOSC=12/12 MHz=1 μs
问:如果fosc=12MHz, 一个机器周期为多少?
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答案 1μs（微秒）
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指 令 周 期
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每条指令都由一个或几个机器周期组 成。 指令周期：执行一条指令所需的时间。 每条指令由一个或若干个字节组成。
有单字节指令，双字节指令，…多字节指 令等。字节数少则占存储器空间少。 例如
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§2.6.3 掉电（停机）工作方式
•当CPU执行一条置PCON.1位（PD）为1的指令后，系统进入掉电工作
方式。在这种工作方式下，内部振荡器停止工作。