1.4 時鐘電路與復位電路

時序：即時間的順序。一個由人組成的單位尚且要有一定的時序，計算機當然更要有嚴格的時序。計算機要完成的事更復雜，因此它的時序也更復雜。我們已知，計算機工作時，是一條一條地從ROM中取指令，然后一步一步地執行。我們規定：計算機訪問一次存儲器的時間，稱為一個機器周期。

時鐘電路用于產生單片機工作所需要的時鐘信號，而時序所研究的是指令執行中各信號之間的相互關系。單片機本身就如一個復雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現，電路應在唯一的時鐘信號控制下嚴格地按時序進行工作。

1.4.1 時鐘電路與時序

1．時鐘信號的產生

（1）內部時鐘方式 內部時鐘方式如圖1-11所示。在8051單片機內部有一振蕩電路，只要在單片機的XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體（簡稱晶振），就構成了自激振蕩器并在單片機內部產生時鐘脈沖信號。

一般電容C1和C2取30pF左右，晶體的振蕩頻率范圍是1.2～12MHz。晶體振蕩頻率高，則系統的時鐘頻率也高，單片機運行速度也就快。MCS-51在通常應用情況下，使用振蕩頻率為6MHz或12MHz。

（2）外部時鐘方式 在由多片單片機組成的系統中，為了各單片機之間時鐘信號的同步，應當引入唯一的公用外部脈沖信號作為各單片機的振蕩脈沖。這時外部的脈沖信號是經XTAL2引腳注入，其連接如圖1-12所示。

2．時序

時序是用定時單位來說明的。MCS-51的時序定時單位共有4個，從小到大依次是：節拍、狀態、機器周期和指令周期，下面分別加以說明。

（1）節拍與狀態 把振蕩脈沖的周期定義為節拍（用P表示）。振蕩脈沖經過二分頻后，就是單片機的時鐘信號的周期，定義為狀態（用S表示）。

這樣，一個狀態就包含兩個節拍，前半周期對應的節拍叫節拍1（P1），后半周期對應的是節拍2（P2）。

（2）機器周期MCS-51采用定時控制方式，因此它有固定的機器周期。規定一個機器周期的寬度為6個狀態，并依次表示為S1～S6。由于一個狀態又包括兩個節拍，因此一個機器周期總共有12個節拍，分別記作S1P1、S1P2……S6P1、S6P2。由于一個機器周期共有12個振蕩脈沖周期，因此機器周期就是振蕩脈沖的十二分頻。

當振蕩脈沖頻率為12MHz時，一個機器周期為1μs。

當振蕩脈沖頻率為6MHz時，一個機器周期為2μs。

（3）指令周期 指令周期是最大的時序定時單位，執行一條指令所需要的時間稱為指令周期。它一般由若干個機器周期組成。不同的指令，所需要的機器周期數也不相同。通常，包含1個機器周期的指令稱為單周期指令，包含2個機器周期的指令稱為雙周期指令。

指令的運算速度和指令所包含的機器周期有關，機器周期數越少的指令執行速度越快。MCS-51單片機通?？梢苑譃閱沃芷谥噶睢㈦p周期指令和四周期指令。四周期指令只有乘法和除法指令兩條，其余均為單周期和雙周期指令。

單片機執行任何一條指令時都可以分為取指令階段和執行指令階段。ALE引腳上出現的信號是周期性的，在每個機器周期內兩次出現高電平。第一次出現在S1P2和S2P1期間，第二次出現在S4P2和S5P1期間。ALE信號每出現一次，CPU就進行一次取指操作，但由于不同指令的字節數和機器周期數不同，因此取指令操作也隨指令不同而有小的差異。

按照指令字節數和機器周期數，8051的111條指令可分為六類，分別是單字節單周期指令、單字節雙周期指令、單字節四周期指令、雙字節單周期指令、雙字節雙周期指令、三字節雙周期指令。

圖1-13a、b所示分別為單字節單周期和雙字節單周期指令的時序。單周期指令的執行始于S1P2，這時操作碼被鎖存到指令寄存器內。若是雙字節則在同一機器周期的S4讀第二字節。若是單字節指令，則在S4仍有讀出操作，但被讀入的字節無效，且程序計數器PC并不增量。

圖1-14給出了單字節雙周期指令的時序，兩個機器周期內進行4次讀操作碼操作。因為是單字節指令，后三次讀操作都是無效的。

1.4.2 單片機的復位電路

單片機復位如同計算機在啟動運行前需要復位一樣，也是使CPU和系統中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態，并從這個狀態開始工作。例如：復位后PC=0000H，使單片機從第一個單元取指令。無論是在單片機剛開始接上電源時，還是斷電后或者發生故障后都要復位。所以我們必須弄清楚MCS-51型單片機復位的條件、復位電路和復位后的狀態。

單片機復位的條件是必須使RST引腳（9）加上持續2個機器周期（即24個振蕩周期）的高電平。例如：若時鐘頻率為12MHz，每機器周期為1μs，則只需2μs以上時間的高電平。在RST引腳出現高電平后的第二個機器周期執行復位。單片機常見的復位電路如圖1-15a、b所示。

圖1-15a為上電自動復位電路，它是利用電容充電來實現的。在加電瞬間，RST端的電位與V_CC相同，隨著充電電流的減少，RST的電位逐漸下降。只要保證RST為高電平的時間大于2個機器周期，便能正常復位。

圖1-15b為按鍵復位電路。該電路除具有上電復位功能外，還有按鍵復位功能，只需按圖1-15b中的RESET鍵，此時電源V_CC經電阻R1、R2分壓，便會在RST端產生一個復位高電平。

單片機復位期間不產生ALE和信號，即ALE=1和。這表明單片機復位期間不會有任何取指操作。復位后，內部各專用寄存器狀態如下。

其中*表示無關位。請注意：

1）復位后PC值為0000H，表明復位后程序從0000H開始執行。

2）SP值為07H，表明堆棧底部在07H。一般需重新設置SP值。

3）P0～P3口值為FFH。P0～P3口用作輸入口時，必須先寫入“1”。單片機在復位后，已使P0～P3口每一端線為“1”，為這些端線用作輸入口做準備。