51单片机的时钟电路与时序以及 复位电路和电源模式

本文主要涉及51单片机的时钟电路以及相关时序的知识，也讲解了了51单片机的复位电路以及电源模式。

一、时钟电路与时序

时钟电路产生AT89S51工作时所必需的控制信号，在时钟信号的控制下，严格按时序执行指令。
执行指令时，CPU首先到程序存储器中取出需要执行的指令操作码，然后译码，并由时序电路产生一系列控制信号完成指令所规定的操作。
CPU发的时序信号两类，一类用对片内各个功能部件控制，用户无须了解；另一类用于对片外存储器或I/O端口的控制，这部分时序对于分析、设计硬件接口电路至关重要。

1、 时钟电路设计

时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。

1.1 内部时钟方式

AT89S51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器，图2-8是AT89S51内部时钟方式的电路。

电路中的电容 C1和 C2 的典型值通常选择为 30pF。晶体振荡频率的范围通常是在1.2～12MHz。
AT89S51单片机常选择振荡频率6MHz或12MHz的石英晶体。

1.2 外部时钟方式

用现成的外部振荡器产生脉冲信号，常用于多片AT89S51同时工作，以便于多片AT89S51单片机之间的同步。
外部时钟源直接接到XTAL1端，XTAL2端悬空，见图2-9。

1.3 时钟信号的输出

当使用片内振荡器，XTAL1、XTAL2引脚还能为应用系统中的其他芯片提供时钟，但需增加驱动能力。其引出的方式有两种，如图2-10。

2、机器周期、指令周期与指令时序

各种指令时序与时钟周期相关。
1．时钟周期
时钟控制信号的基本时间单位。若晶振频率为fosc，则时钟周期Tosc=1/fosc。
如fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。

2．机器周期
CPU完成一个基本操作所需时间为机器周期。执行一条指令分为几个机器周期。每个机器周期完成一个基本操作，如取指令、读或写数据等。每12个时钟周期为1个机器周期

1个机器周期包括12个时钟周期，分6个状态：S1～S6。每个状态又分两拍：P1和P2。
因此，一个机器周期中的12个时钟周期表示为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、…、S6P2，如图2-11。

3．指令周期
执行一条指令所需的时间。简单的单字节指令，取出指令立即执行，只需一个机器周期的时间。而有些复杂的指令，如转移、乘、除指令则需两个或多个机器周期。

从指令执行时间看:

• 单字节和双字节指令一般为单机器周期和双机器周期;
• 三字节指令都是双机器周期;
• 乘、除指令占用4个机器周期。

二、 复位电路和电源模式

1、 复位操作和复位电路

单片机的初始化操作，给复位脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就使AT89S51复位。

1.1 复位操作

复位时，PC初始化为0000H，程序从0000H单元开始执行。
除系统的正常初始化外，当程序出错（如程序跑飞）或操作错误使系统处于死锁状态时，需按复位键使RST脚为高电平，使AT89S51摆脱“跑飞”或“死锁”状态而重新启动程序。

复位操作还对其他一些寄存器有影响，这些寄存器复位时的状态如表2-8。

1.2 复位电路设计

由复位电路实现。AT89S51片内复位电路结构见图2-12。

复位引脚RST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，在每个机器周期的S5P2，施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。

复位电路采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路如图2-13所示。

上电自动复位是给电容C充电加给RST引脚一个短的高电平信号，此信号随着VCC对电容C的充电过程而逐渐回落，即RST引脚上的高电平持续时间取决于电容C充电时间。为保证系统可靠复位，RST引脚上的高电平必须维持足够长的时间。
除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。按键手动复位有电平和脉冲两种方式。

2、低功耗节电模式

两种低功耗节电工作模式：空闲模式（idle mode）和掉电保持模式（power down mode）。
掉电保持模式下，Vcc可由后备电源供电。图2-17为两种节电模式的内部控制电路。

两种节电模式可通过PCON的位IDL和位PD的设置来实现。

格式如图2-18。

PCON寄存器各位定义：
SMOD：串行通信波特率选择。
━ ：保留位。
GF1、GF0：通用标志位，两个标志位用户使用。
PD： 掉电保持模式控制位，PD=1，则进入掉电保持模式。
IDL：空闲模式控制位，若IDL=1，则进入空闲运行模式。

2.1 空闲模式

1. 空闲模式进入
   如把PCON中的IDL位置“1”，通往CPU的时钟信号关断，便进入空闲模式。虽然振荡器运行，但是CPU进入空闲状态。所有外围电路（中断系统、串行口和定时器）仍继续工作，SP、PC、PSW、A、P0–P3端口等所有其他寄存器、内部RAM和SFR中内容均保持进入空闲模式前状态。

2. 空闲模式退出
   两种方法退出，响应中断方式，硬件复位方式。

空闲模式下，若任一个允许的中断请求被响应时，IDL位被片内硬件自动清“0”，从而退出空闲模式。当执行完中断服务程序返回时，将从设置空闲模式指令的下一条指令（断点处）继续执行程序。

当使用硬件复位退出空闲模式时，在复位逻辑电路发挥控制作用前，有长达两个机器周期时间，单片机要从断点处（IDL位置“1”指令的下一条指令处）继续执行程序。在这期间，片内硬件阻止CPU对片内RAM的访问，但不阻止对外部端口（或外部RAM）的访问。为了避免在硬件复位退出空闲模式时出现对端口（或外部RAM）的不希望的写入，在进入空闲模式时，紧随IDL位置1指令后的不应是写端口（或外部RAM）的指令。

2.2 掉电运行模式

1. 掉电模式的进入
   用指令把PCON寄存器的PD位置1，便进入掉电模式。在掉电模式下，进入时钟振荡器的信号被封锁，振荡器停止工作。
   由于没有时钟信号，内部的所有功能部件均停止工作，但片内RAM和SFR的原来的内容都被保留，有关端口的输出状态值都保存在对应的特殊功能寄存器中。

2. 掉电模式的退出
   两种方法：硬件复位和外部中断。
   硬件复位时要重新初始化SFR，但不改变片内RAM的内容。只有当Vcc恢复到正常工作水平时，只要硬件复位信号维持10ms，便可使单片机退出掉电运行模式。

2.3 掉电和空闲模式下的WDT

掉电模式下振荡器停止，意味着WDT也就停止计数。用户在掉电模式下不需操作WDT。

当用硬件复位退出掉电模式时，对WDT的操作与正常情况一样。

在系统进入掉电模式前先对寄存器WDTRST复位。在中断服务程序中复位寄存器WDTRST。

在进入空闲模式前，应先设置AUXR中的WDIDLE位，以确认WDT是否继续计数。
当WDIDLE=0，空闲模式下的WDT保持继续计数。为防止复位单片机，用户可设计一定时器。该定时器使器件定时退出空闲模式，然后复位WDTRST，再重新进入空闲模式。
当WDIDLE=1，WDT在空闲模式下暂停计数，退出空闲模式后，方可恢复计数。