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淺談單片機(jī)最小系統(tǒng)

2021-05-23
我們已經(jīng)大概知道了單片機(jī)是一個(gè)什么東西，那么接下來我們就正式開始單片機(jī)的學(xué)習(xí)吧。
單片機(jī)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，假如單純的去學(xué)習(xí)理論知識(shí)，而不實(shí)踐，是很難完全把握單片機(jī)的。

單片機(jī)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(yùn)行起來，才能實(shí)現(xiàn)它的功能。這就像電阻一樣，如果把一個(gè)電阻獨(dú)立的放著，是沒有任何意義的，只有將電阻接在電路中，才能實(shí)現(xiàn)它的功能，畢竟是分壓，分流，還是限流，還得看詳細(xì)電路。


單片機(jī)里雖然集成了很多電路，但仍舊不能獨(dú)立運(yùn)行，必須要外連一些電路，才能使單片機(jī)運(yùn)行起來。這種能使單片機(jī)工作的最簡電路，我們叫做單片機(jī)最小系統(tǒng)。圖2-1中，有40個(gè)引腳的就是AT89C51單片機(jī)，這是單片機(jī)家族眾多型號(hào)中的一種，為什么選擇這個(gè)單片機(jī)來學(xué)習(xí)呢，是因?yàn)檫@款單片機(jī)的核心是MCS-51單片機(jī)，而MCS-51單片機(jī)是一款非常經(jīng)典的單片機(jī)，簡樸易學(xué)，而且資料非常豐富。當(dāng)然，如果有特別的需求，也可以選擇其他的單片機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

閑話少說，現(xiàn)在我們就來分析圖2-1所示電路。

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

不過晶振并不能獨(dú)立的使用，必須配合合適的負(fù)載電容，否則會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，或者是使晶振不能工作。

負(fù)載電容的選擇可以根據(jù)單片機(jī)的技術(shù)文檔上的說明來選擇。對(duì)于51單片機(jī)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(fù)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(qǐng)（當(dāng)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，那么用什么東西來對(duì)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進(jìn)行時(shí)間的標(biāo)記，通過日晷，將一日劃分成12個(gè)等分，就是我們常說的時(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(jī)是一個(gè)智能設(shè)備，能處理很多事情，那么這些事情的安排，又是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？

為了給單片機(jī)一個(gè)“日晷”，我們使用了能夠輸出振蕩時(shí)鐘的晶振。通過晶振輸出的時(shí)鐘脈沖，來安排單片機(jī)的工作。于是，我們就能對(duì)單片機(jī)做一些安排，第一個(gè)時(shí)鐘脈沖出現(xiàn)，單片機(jī)做什么，第二個(gè)時(shí)鐘脈沖出現(xiàn)，單片機(jī)又做什么？……第n個(gè)時(shí)鐘脈沖出現(xiàn)，單片機(jī)又做什么……一直這樣的安排下去，我們就能通過使用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)我們想要做的事了，而我們這種安排從專業(yè)的角度上來講就叫做編程。

其次，我們來看看，51單片機(jī)的復(fù)位電路，它由一個(gè)10uF的電容和一個(gè)4.7K的電阻組成。為什么要這樣接線了，原因是這樣的：在設(shè)計(jì)51單片機(jī)的時(shí)候，規(guī)定在51單片機(jī)的第9引腳為復(fù)位功能引腳。當(dāng)在這個(gè)引腳有連續(xù)兩個(gè)以上機(jī)器周期（2us以上）【注2】的高電平時(shí)，這個(gè)單片機(jī)就會(huì)復(fù)位。而我們的電路設(shè)計(jì)是，電容充電的瞬間，是導(dǎo)通，在這個(gè)瞬間，電流通過電容器，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(rèn)為是高電平。而電容的充電是有時(shí)間的，當(dāng)選擇合適的電容，其充電時(shí)間會(huì)大于2us，這時(shí)，復(fù)位的條件就成立了。當(dāng)然，我們?yōu)榱四軌蚋€(wěn)定的復(fù)位，我們經(jīng)常會(huì)把單片機(jī)的復(fù)位引腳的高電平時(shí)間控制得更長一點(diǎn)，通常會(huì)達(dá)到ms級(jí)別。

你也許會(huì)問，為什么要復(fù)位呢？

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

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

問題2：當(dāng)你的機(jī)器出現(xiàn)故障了，你希望他能還能回到正常工作？

顯然，我們?cè)陂_始工作或是出現(xiàn)故障時(shí)，都希望能回到原來的初始狀態(tài)下。

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

知道了復(fù)位和晶振電路，現(xiàn)在讓我們來看看，單片機(jī)右邊的電路，該電路時(shí)將單片機(jī)的31引腳EA上接到電源VCC端。

在單片機(jī)的引腳定義中，EA口是訪問外部存儲(chǔ)器使能端，因?yàn)樵凇癊A”這兩個(gè)字母上加了一個(gè)橫線，就表示，在該引腳，是低電平有效，（在數(shù)字電路數(shù)，常用這種方法表示，如果字母上邊沒有橫線，就表示高電平有效，有橫線，就表示低電平有效）即當(dāng)“EA”引腳為低電平時(shí)，就直接訪問外部存儲(chǔ)器。

當(dāng)EA引腳為高電平時(shí)，訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器，當(dāng)要訪問的存儲(chǔ)器地址，超出內(nèi)部存儲(chǔ)器的地址范圍時(shí)，自動(dòng)會(huì)訪問外部存儲(chǔ)器相應(yīng)的地址。

我們現(xiàn)在使用的單片機(jī)，我們學(xué)習(xí)用的單片機(jī)是有內(nèi)部存儲(chǔ)器的，其存儲(chǔ)器空間為4kb，為了不浪費(fèi)這些存儲(chǔ)空間，我們就將EA引腳直接接高電平，這樣單片機(jī)會(huì)首先運(yùn)行內(nèi)部存儲(chǔ)器的程序。不過，有一種單片機(jī)除外，那就是8031單片機(jī)，該單片機(jī)也是基于8051單片機(jī)內(nèi)核的，不過，在設(shè)計(jì)這種單片機(jī)時(shí)，是沒有將存儲(chǔ)器集成在單片機(jī)里邊的，需要外置存儲(chǔ)器，這時(shí)，這必須將EA引腳接地，否則，該單片機(jī)沒辦法工作。

常常有人說，單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的部分，可是我卻覺得并不是這樣的，既然是一個(gè)系統(tǒng)，那么系統(tǒng)中的各部分都是統(tǒng)一不可分割的，缺了任何哪一部分，單片機(jī)系統(tǒng)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(jī)是一個(gè)電子設(shè)備，所以必須要有電源才能工作，否則，任你能力再強(qiáng)，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(jī)需要在+5V的直流電的壞境下，才能夠穩(wěn)定的工作（并不是所有的單片機(jī)都是工作在+5V，有的低電壓單片機(jī)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。單片機(jī)的接+5V的引腳為40引腳VCC，而接地引腳為20引腳GND。

供應(yīng)單片機(jī)工作的+5V直流電源，必須是很穩(wěn)定的，否則可能會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)頻頻復(fù)位，這在單片機(jī)正常工作中，是必須避免的，除非是有特定需要或者是出現(xiàn)故障。

單片機(jī)時(shí)鐘周期

在幾十年前，因?yàn)榧夹g(shù)原因，單片機(jī)的速度很慢，晶振的時(shí)鐘脈沖相對(duì)于單片機(jī)來說太過迅速，無法做到來一個(gè)脈沖就執(zhí)行一條指令，為了解決這個(gè)問題，我們偉大的工程師就做出了一點(diǎn)點(diǎn)改進(jìn)，設(shè)定為幾個(gè)脈沖出現(xiàn)，才執(zhí)行一次指令，這樣，單片機(jī)的速度就能夠按照時(shí)鐘工作了。

這就像秒對(duì)于我們一般人來說，也太過細(xì)，我們?cè)谌粘９ぷ髦泻茈y精確到秒，為了解決這一問題，就出現(xiàn)了分和小時(shí)這些時(shí)間概念。

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