单片机最小系统

跳跃的开发板

前面介绍了集成电路的管脚编号识别，这里我们简单了解下51单片机的40个管脚具体的作用。对于没有接触过复杂电子元器件的读者来说，或许会感觉非常难，但实际上完全不需要有畏惧心理。

　　按照集成电路的管脚识别方法，缺口朝上，逆时针转一圈，单片机的引脚编号从1到40，如图所示。图中同时给出了各个管脚的名称。我们完全不需要刻意去记这些管脚顺序和名称，在需要的时候查一下就好了，如果用的比较多，后来自然就记住了。

　　按照图中的大括号的提示，我们把P0.0~P0.7这样八个管脚称为一组IO口，叫做P0，同样有P1、P2和P3。IO口（IO = Input / Output），顾名思义，就是输入输出接口，它是单片机与外界进行信息交流的途径。之后我们主要的学习内容，也是围绕IO口进行的。另外这32个IO口又有一些在括号中标注的管脚名称，叫做第二功能；第二功能在特定的情况下会被启用，没有启用第二功能时，它们就只是起到IO口的作用。例如P3.0和P3.1又叫做RXD和TXD，它们有串口的作用，可以用来给单片机下载程序，也可以用来和电脑进行数据的收发，即串口通信。除32个IO口外，还有八个管脚：其中29~31号脚一般用得不多，暂不做介绍；40脚VCC、20脚GND、9号脚RST以及18、19号脚XTAL1、XTAL2很快就会在下面的单片机最小系统中进行详细讲解。

　　什么是单片机最小系统呢？最小系统，就是指单片机能正常工作最简单的电路。对51单片机来说，最小系统一般包括：电源、单片机、时钟电路和复位电路。其电路图如下：

　　现在向大家介绍下这些电路的作用。

　　电源电路：作为电子器件，51单片机当然少不了电源供电，它一般使用5V电源，我们可以从大家所熟悉的USB接口获取5V电源。在图中，每个VCC符号都是共同连接在5V电源正极的；而所有的GND符号连接在一起，共同接到电源负极。图中之所以没有把它们连接到一起，而是使用多个VCC和GND符号，是为了让电路图看起来更清晰简洁（VCC = Volt Current Condenser，表示供电电压；GND = Ground，接地的意思，可以简单理解为连接到电源负极，并且我们以GND作为参考电压，GND的电压值始终为0V）。

　　特别注意，一定不要把单片机接到过高的电压上，或者将电源正负极接反，很可能烧坏单片机，甚至发生爆炸。如果单片机是插在芯片插座上的，由于VCC和GND刚好在对称的位置，插反了刚好会出现电源接反的情况，一定要注意避免。

　　这里补充一点，如果需要知道一种芯片使用的电源电压，通常可以查官方给出的芯片手册，后面会对芯片手册进行介绍。

　　时钟电路：连接在引脚XTAL1、XTAL2和GND间的电路是时钟电路（XTAL = External Crystal Oscillator，表示外接晶振）。前面的电源比较好理解，但是什么是时钟电路呢？它有什么用处呢？时钟电路就像是人的心脏一样，每时每刻不断跳动着，对于单片机来说是至关重要的。如同心脏给我们的身体不断运输血液和氧气，让身体各种器官正常工作，而时钟电路则是单片机内部各部分电路正常工作的驱动力。

　　时钟电路由晶振和电容器组成。晶振是一种由石英制造的电子元件，在通电时，其表面会产生特定频率的振荡，最后通过电路可以输出一个频率很稳定的时钟信号，驱动单片机工作。我们人的心脏每分钟跳动几十到上百次，而对于单片机来说，这实在太慢了。图中的晶振频率是12MHz（1MHz=1,000,000Hz），正常工作起来，每秒钟振荡12,000,000次！实际上，时钟电路的晶振并非必须是12M，也可以是其他的，但是要注意STC89C51这款单片机最高工作频率不能超过80M（这个同样可以通过芯片手册查找）。实际上我们使用更多的是11.0592M的晶振，为什么是这样奇怪的频率呢？后面讲到串口的时候相信读者就能明白了。

　　时钟电路还用到C2和C3两个电容，如果不了解电容，可以找找常用电子元器件介绍的相关资料，这里不做介绍。这两个电容通常用瓷片电容，容量一般取30pF即可。

　　顺便说一下，如果自己设计时钟电路，晶振和单片机之间的连线不要过长，这样可能会导致电路不能正常工作（不能起振）。

　　时钟每产生一次振荡的时间，叫做一个时钟周期；对于我们用的这款51单片机，每12个时钟周期，单片机执行一步操作，称为一个机器周期（STC也推出了1T单片机，每1个时钟周期就执行一步操作）。如果是12M晶振，时钟周期就是1/12 us，机器周期刚好是1 us。

　　大家应该还记得前面说的上世纪古老庞大的计算机埃尼阿克吧，埃尼阿克一秒钟能进行5000次加法运算，那在当时已经是相当高的水平了。但是和我们的51单片机比起来，实在是小巫见大巫。51单片机可以在一个机器周期里进行一次加法运算（即汇编指令ADD），用12M晶振，1秒钟最多可以进行一百万次加法运算，是埃尼阿克的200倍（不考虑数据在寄存器和内存之间的移动）。看到这里，大家是不是在为自己能用上这么高科技的东西而窃喜呢？^_^

　　复位电路：图中连接到RST引脚的那部分电路就是复位电路，由电阻和电容组成。复位电路的作用，就是在刚通电的时候给单片机发出一个信号（对于51单片机，是连续至少两个机器周期的高电平），告诉单片机现在可以开始工作了。于是单片机就从初始状态开始，不厌其烦的执行特定的程序，直到断电，或者出现特殊情况导致程序终止。一般情况下，单片机正常工作时是不应该出现程序执行终止的情况的，有关这个问题，后文讲单片机程序特点时会说明。

　　复位电路的原理，是上电时通过电阻给电容充电，让电容连接到RST管脚的电压，从5V变为0V，也就是高电平变为低电平。电阻和电容的取值，按照图中给出的参考值即可，如果对模拟电路有了解，也可以自行计算确定其取值。

　　另外，图中的EA/VPP管脚，是访问内部或外部程序存储器选择信号和提供编程电压的，一般用的不多。直接连接VCC就可以了。

　　实际做实验的时候，我发现单片机不接复位电路，晶振上的两个电容省去，一般也能工作。但是为了安全起见，有条件的情况下还是应该把这些都接上。我们需要严谨的科学态度。

　　有了最小系统，单片机就可以正常工作，不断的执行我们让它执行的程序了。单片机这种不怕苦不怕累的精神值得我们学习。