單片機小白學(xué)步(6) 單片機最小系統——麻雀雖小，五臟俱全

單片機管腳

按照集成電路的管腳識別方法，缺口朝上，逆時(shí)針轉一圈，單片機的引腳編號從1到40，如圖所示。圖中同時(shí)給出了各個(gè)管腳的名稱(chēng)。我們完全不需要刻意去記這些管腳順序和名稱(chēng)，在需要的時(shí)候查一下就好了，如果用的比較多，后來(lái)自然就記住了。

按照圖中的大括號的提示，我們把P0.0~P0.7這樣八個(gè)管腳稱(chēng)為一組IO口，叫做P0，同樣有P1、P2和P3。IO口（IO = Input / Output），顧名思義，就是輸入輸出接口，它是單片機與外界進(jìn)行信息交流的途徑。之后我們主要的學(xué)習內容，也是圍繞IO口進(jìn)行的。另外這32個(gè)IO口又有一些在括號中標注的管腳名稱(chēng)，叫做第二功能；第二功能在特定的情況下會(huì )被啟用，沒(méi)有啟用第二功能時(shí)，它們就只是起到IO口的作用。例如P3.0和P3.1又叫做RXD和TXD，它們有串口的作用，可以用來(lái)給單片機下載程序，也可以用來(lái)和電腦進(jìn)行數據的收發(fā)，即串口通信。除32個(gè)IO口外，還有八個(gè)管腳：其中29~31號腳一般用得不多，暫不做介紹；40腳VCC、20腳GND、9號腳RST以及18、19號腳XTAL1、XTAL2很快就會(huì )在下面的單片機最小系統中進(jìn)行詳細講解。

單片機最小系統電路

什么是單片機最小系統呢？最小系統，就是指單片機能正常工作最簡(jiǎn)單的電路。對51單片機來(lái)說(shuō)，最小系統一般包括：電源、單片機、時(shí)鐘電路和復位電路。其電路圖如下：

現在向大家介紹下這些電路的作用。

電源電路

電源電路：作為電子器件，51單片機當然少不了電源供電，它一般使用5V電源，我們可以從大家所熟悉的USB接口獲取5V電源。在圖中，每個(gè)VCC符號都是共同連接在5V電源正極的；而所有的GND符號連接在一起，共同接到電源負極。圖中之所以沒(méi)有把它們連接到一起，而是使用多個(gè)VCC和GND符號，是為了讓電路圖看起來(lái)更清晰簡(jiǎn)潔（VCC = Volt Current Condenser，表示供電電壓；GND = Ground，接地的意思，可以簡(jiǎn)單理解為連接到電源負極，并且我們以GND作為參考電壓，GND的電壓值始終為0V）。

特別注意，一定不要把單片機接到過(guò)高的電壓上，或者將電源正負極接反，很可能燒壞單片機，甚至發(fā)生爆炸。如果單片機是插在芯片插座上的，由于VCC和GND剛好在對稱(chēng)的位置，插反了剛好會(huì )出現電源接反的情況，一定要注意避免。

這里補充一點(diǎn)，如果需要知道一種芯片使用的電源電壓，通?？梢圆楣俜浇o出的芯片手冊，后面會(huì )對芯片手冊進(jìn)行介紹。

時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路：連接在引腳XTAL1、XTAL2和GND間的電路是時(shí)鐘電路（XTAL = External Crystal Oscillator，表示外接晶振）。前面的電源比較好理解，但是什么是時(shí)鐘電路呢？它有什么用處呢？時(shí)鐘電路就像是人的心臟一樣，每時(shí)每刻不斷跳動(dòng)著(zhù)，對于單片機來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。如同心臟給我們的身體不斷運輸血液和氧氣，讓身體各種器官正常工作，而時(shí)鐘電路則是單片機內部各部分電路正常工作的驅動(dòng)力。

時(shí)鐘電路由晶振和電容器組成。晶振是一種由石英制造的電子元件，在通電時(shí)，其表面會(huì )產(chǎn)生特定頻率的振蕩，最后通過(guò)電路可以輸出一個(gè)頻率很穩定的時(shí)鐘信號，驅動(dòng)單片機工作。我們人的心臟每分鐘跳動(dòng)幾十到上百次，而對于單片機來(lái)說(shuō)，這實(shí)在太慢了。圖中的晶振頻率是12MHz（1MHz=1,000,000Hz），正常工作起來(lái)，每秒鐘振蕩12,000,000次！實(shí)際上，時(shí)鐘電路的晶振并非必須是12M，也可以是其他的，但是要注意STC89C51這款單片機最高工作頻率不能超過(guò)80M（這個(gè)同樣可以通過(guò)芯片手冊查找）。實(shí)際上我們使用更多的是11.0592M的晶振，為什么是這樣奇怪的頻率呢？后面講到串口的時(shí)候相信讀者就能明白了。

時(shí)鐘電路還用到C2和C3兩個(gè)電容，如果不了解電容，可以找找常用電子元器件介紹的相關(guān)資料，這里不做介紹。這兩個(gè)電容通常用瓷片電容，容量一般取30pF即可。

順便說(shuō)一下，如果自己設計時(shí)鐘電路，晶振和單片機之間的連線(xiàn)不要過(guò)長(cháng)，這樣可能會(huì )導致電路不能正常工作（不能起振）。

時(shí)鐘每產(chǎn)生一次振蕩的時(shí)間，叫做一個(gè)時(shí)鐘周期；對于我們用的這款51單片機，每12個(gè)時(shí)鐘周期，單片機執行一步操作，稱(chēng)為一個(gè)機器周期（STC也推出了1T單片機，每1個(gè)時(shí)鐘周期就執行一步操作）。如果是12M晶振，時(shí)鐘周期就是1/12 us，機器周期剛好是1 us。

大家應該還記得前面說(shuō)的上世紀古老龐大的計算機埃尼阿克吧，埃尼阿克一秒鐘能進(jìn)行5000次加法運算，那在當時(shí)已經(jīng)是相當高的水平了。但是和我們的51單片機比起來(lái)，實(shí)在是小巫見(jiàn)大巫。51單片機可以在一個(gè)機器周期里進(jìn)行一次加法運算（即匯編指令ADD），用12M晶振，1秒鐘最多可以進(jìn)行一百萬(wàn)次加法運算，是埃尼阿克的200倍（不考慮數據在寄存器和內存之間的移動(dòng)）?？吹竭@里，大家是不是在為自己能用上這么高科技的東西而竊喜呢？^_^

復位電路

復位電路：圖中連接到RST引腳的那部分電路就是復位電路，由電阻和電容組成。復位電路的作用，就是在剛通電的時(shí)候給單片機發(fā)出一個(gè)信號（對于51單片機，是連續至少兩個(gè)機器周期的高電平），告訴單片機現在可以開(kāi)始工作了。于是單片機就從初始狀態(tài)開(kāi)始，不厭其煩的執行特定的程序，直到斷電，或者出現特殊情況導致程序終止。一般情況下，單片機正常工作時(shí)是不應該出現程序執行終止的情況的，有關(guān)這個(gè)問(wèn)題，后文講單片機程序特點(diǎn)時(shí)會(huì )說(shuō)明。

復位電路的原理，是上電時(shí)通過(guò)電阻給電容充電，讓電容連接到RST管腳的電壓，從5V變?yōu)?V，也就是高電平變?yōu)榈碗娖?。電阻和電容的取值，按照圖中給出的參考值即可，如果對模擬電路有了解，也可以自行計算確定其取值。

其他電路

另外，圖中的EA/VPP管腳，是訪(fǎng)問(wèn)內部或外部程序存儲器選擇信號和提供編程電壓的，一般用的不多。直接連接VCC就可以了。

實(shí)際做實(shí)驗的時(shí)候，我發(fā)現單片機不接復位電路，晶振上的兩個(gè)電容省去，一般也能工作。但是為了安全起見(jiàn)，有條件的情況下還是應該把這些都接上。我們需要嚴謹的科學(xué)態(tài)度。

有了最小系統，單片機就可以正常工作，不斷的執行我們讓它執行的程序了。單片機這種不怕苦不怕累的精神值得我們學(xué)習。

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