1.时钟电路
最小微控制器系统的第二个组件是时钟。 单片机的工作是面向任务的，即根据单片机FLASH中存储的二进制代码一步步执行。 此执行的参考时间是时钟。 有了时钟，微控制器就知道何时该做某事。 另外，有了时钟，单片机的核心就可以与外设同步。 举个通俗的例子，就像两个人约定每天上午10点打电话。 这就是时钟的同步。 作为用户，单片机需要工作，必须有时钟。 时钟就像人的心跳一样，必须持续跳动。
所有单片机的数据手册都会有与时钟相关的章节。 图3.1为STC8A8K64S4A12芯片手册中的系统时钟结构图。
图3.1STC8A8K64S4A12系统时钟图
图形分析：
①时钟源选择：从图中可以看出，产生主时钟MCLK有4种方式，即内部24MHz、外部晶振、外部时钟信号、内部32kHz；
②时钟分频：MCLK按分频后提供给MCU内核；
③时钟输出分频：MCLK分频后输出时钟；
④时钟输出引脚选择：可以选择从P1.5或P1.6输出时钟，供外部和内部设备使用；
⑤ 系统时钟SYSclk：单片机内核所需的时钟。 它决定了微控制器处理指令的速度。 频率越高，处理速度越快，但功耗也越高。 这应该更容易理解。 以俯卧撑为例。 A先生1秒可以做10个俯卧撑，B先生1秒可以做1个俯卧撑。 同时，假设1分钟，A先生可以做600个俯卧撑，而B先生只能做60个俯卧撑。 A先生的频率比B先生高，但A先生会消耗更多的热量。 因此，在选择时钟时，需要综合考虑运行速度和功耗，而不是单方面追求速度。 当然，如果不再考虑功耗的话，频率越高越好。 这样单片机的处理能力就会大大提高，但是频率能无限制地提高吗？ 目前情况并非如此。 微控制器的手册将定义时钟的最大频率。 例如，STC8系列单片机的芯片手册有如下描述。
从描述中可以看出，STC8A8K64S4A12的时钟最高可达33MHz。 这里先说一下分频的概念，就是将输入时钟除以一个分频系数，得到输出频率。 例如输入频率为24MHz，分频系数为2，则输出频率为24/2=12MHz。 ARM系统中还有倍频的概念，即输入时钟经过分频系统倍频，得到输出频率。 这里有一个概念。
既然输入时钟有4种类型，那么如何选择呢？ 表3.1可供参考。
图 3.1 输入时钟比较
内部RC
水晶
外部时钟输入
优势
①成本低，无需外围电路；
②节省PCB布局空间；
③ 增加I/O口数量
① 精度更高；
②时钟输出稳定；
③抗干扰能力好；
① 精度取决于外部时钟；
②单片机不需要单独的晶振电路；
缺点
① 准确度不高
② 容易受干扰（温漂/零点漂移）影响
①需要单独的晶振电路，价格昂贵；
② 占用PCB布局空间
③ 占用2个I/O口
① 还需要生成额外的时钟；
② 占用1个I/O口；
场合
① PCB空间有限时；
②应用环境无干扰源；
③ 有成本要求时；
④ I/O口不足时；
① 需要稳定的时钟输出时；
②当与其他芯片通信的时序要求较高时；
③成本要求不高时；
① 当多个芯片共享时钟以节省成本时；
② 作为从设备使用时；
接下来，我们将介绍在选择不同时钟时如何设计电路。
① 内部RC电路：
如果选择内部RC振荡电路，该引脚可以悬空或作为普通I/O口使用。 一般的单片机，上电复位后，默认使用内部IRC，一般可以通过下载软件切换或者通过程序控制。 STC单片机的寄存器说明如图3.2所示。 从IRC24MCR寄存器的描述来看，Bit7“ENIRC24M”是内部24MHz使能位。 查看复位后IRC24MCR寄存器的初始值，Bit7为1，如图3.3所示，验证了前面的说法。 单片机上电后，默认使用内部IRC。 所以如果使用内部RC时钟，该引脚可以直接悬空或者作为普通I/O口使用。 关于寄存器的概念，我们暂时不做详细阐述。 随着内容慢慢展开，我们会详细介绍如何查看芯片的寄存器。
图3.2IRC24MCR寄存器图
图3.3IRC24MCR寄存器复位初始值
② 外接晶振电路：
图3.4是典型的外部晶振时钟输入电路。
图 3.4 典型外部晶振输入电路
图中Y为晶振。 按材质可分为陶瓷晶振和石英晶振。 根据是否有电源分为有源晶振和无源晶振。 一般可采用无源石英晶振，也可采用有源晶振。 费用一般比较贵。 C1、C2为负载电容，电容值一般根据晶振手册推荐选择，取值一般在15PF~30pF之间。
③ 外部时钟输入：
图3.5是典型的外部时钟输入电路。 您只需从 XTALI 引脚输入时钟即可。 该时钟可以是正弦信号或脉冲信号。
图 3.5 典型外部时钟输入电路
以上是产生单片机所需时钟的三种方法。 在实际应用过程中，应根据具体需求、应用环境、成本等因素综合考虑采用哪种方法。 至于具体如何配置时钟，不同的单片机有不同的配置方法。 具体细节我暂时不讲。 稍后在单片机的编程中会介绍。
2. 复位电路
最小微控制器系统的第三个组件被重置。 重置的内容很容易理解。 意味着单片机结束当前任务，重新开始执行程序。 就像我们日常生活中使用PC电脑一样，有时候电脑死机的时候，我们都知道可以通过按重启按钮来重新启动电脑。 其实这是一个重置的过程。 不同的微控制器制造商的复位方法略有不同。 以下四种重置是最基本的。
① 上电复位
当单片机断电后又有电时，单片机会将内部寄存器重置为初始值，读取所有硬件选项，并根据写入Flash的代码开始执行程序。
② 低电压复位
当输入电源电压下降到一定程度时，也会引起复位。 在STC8A系列51单片机芯片手册中，有如下寄存器说明，如图3.6所示。
图3.6RSTCFG复位配置寄存器
从芯片手册中的复位配置寄存器可以看出，需要引起低电压复位的条件需要配置寄存器的bit6 ENLVR能够低电压复位。 同时，可以通过LVDS[1:0]配置电压值的阈值电压，例如配置为2.2V，则当VCC的电压值低于2.2V时，会自动发生复位。 当电压继续降低时，将直接进入掉电模式，单片机不再工作。 该模型的应用并不多。
③ 复位引脚复位
复位引脚（RST引脚）的复位常用方法有两种。 一是图3.7左侧所示的上电复位电路。 上电时，VCC首先会对电容C充电，因此RST引脚电压接近VCC，即高电平。 随着时间的增加，电容器C逐渐充满电。 由于电容的隔直流特性，它处于截止状态，并且由于RST将电阻R下拉至GND，RST将被强制为低电平。 上电复位有延时作用，延时时间与电容值的大小即充电时间有关。 这种设计的优点是，在单片机开始工作之前，输入电源VCC处于稳定状态。 否则可能会因上电过程中电源不稳定而导致部分数据读取异常。 这是通过硬件延迟启动来实现的。
图 3.7 典型的上电复位电路
如图3.7右图所示，通过SW外部按钮复位，SW空闲时断开，RST的电平变化与前述上电复位相同。 当单片机工作时，如果需要手动复位，可以按SW键。 当SW闭合时，RST被强制拉至VCC（高电平），从而实现复位。 值得注意的是，芯片手册中包含了RST应该保持多长时间。 高电平可以复位，即SW保持按下的时间长度。
④ 看门狗复位
看门狗复位也是一个常用的功能。 目的是当程序运行异常时，复位系统，重新开始程序的执行。 这就是常说的程序跑飞，即单片机没有按照既定的程序执行代码。 看门狗的原理其实很简单。 通俗地说，就是单片机内部独立运行的定时器。 一旦看门狗使能，内部定时器将保持计时。 如果在规定的时间内，定时器没有清为0，俗称“喂狗”，就会认为程序跑了，系统会自动复位。
以上是单片机最小系统中有关时钟和复位的相关说明。 下一期将从单片机最小系统开始，进入原理图设计阶段。 请继续关注。
往期回顾：第六期：最小单片机系统的电源
往期回顾：第五期：数字电路基础
往期回顾：第4期：创建PCB封装—AD
往期回顾：第3期：创建PCB封装—PADS
往期回顾：第2期：新组件—AD
往期回顾：第一期：新组件—PADS
