單片機最小系統的研究

摘要：近年來，隨著自動控制技術的發展，單片機以它開發簡單、工作穩定、成本低廉等特點應用越來越廣。單片機最小系統是指單片機正常工作的最小硬件系統。在最小系統的基礎上可以方便進行二次開發和功能擴展，縮短開發周期。該最小系統可以應用于工業自動控制、傳感器、電子設計等領域。本文詳細介紹了單片機最小系統各模塊的構成和功能，對初學者有一定的指導意義。

關鍵詞：單片機 最小系統 自動控制技術

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0026-01

1 引言

單片機是一種單硅片上集成微型計算機功能的芯片，內部集成了CPU，RAM，ROM，定時器/計數器，I/O接口以及通信接口等主要功能部件。在發展過程中由逐漸擴展了各種控制功能，可以獨立執行內部程序，所以單片機也稱之為微型控制器。

2 單片機內部結構

單片機由五個基本部分組成，包括中央處理器CPU、時鐘、存儲器（RAM和ROM）、輸入/輸出口（I/O）、定時/計數器、中斷系統等。

單片機存儲器采用Harvard結構，程序存取器和數據存儲器完全分開相互獨立。程序存儲器位只讀存儲器（ROM），數據存儲器為隨機存儲器（RAM），二者各有尋址方式和控制系統。其中，ROM用于存放應用程序，RAM用于存放程序運行時產生的中間結果、暫存和緩沖數據等。

I/O端口是單片機與外界進行聯絡的通路，實現對外部設備的控制和數據交換。I/O端口分為串行和并行兩種，串行端口一次只能傳送一位二進制數，并行端口一次能傳送一組二進制數組。

中斷系統是指在程序執行過程中，允許外部或內部事件通過硬件中斷程序的執行，使其轉向處理外部或內部的中斷服務程序中去。完成中斷服務程序后，CPU繼續執行原來被中斷的程序。

3 最小系統總體設計

單片機最小系統包括電源電路、時鐘電路、復位電路、JTAG接口等。這些部分是保證單片機正常運行的關鍵部分，其中JTAG接口用來對單片機進行在線調試以及程序下載等。

3.1 電源電路

電源電路一般采用LDO電源芯片為系統供電，可以供3.3V、5V等電源。此外，在電源輸入端設計電源保護，采用肖特基二極管限位防止電源反接。在輸出端接濾波電容，抑制紋波和濾掉電源中的干擾信號。輸出端C3為0.01～0.1uF陶瓷電容，濾掉高頻干擾信號。C2為大容量電解電容，通常為10～100uF，可以濾掉低頻干擾信號以及在電源電壓波動時候起到儲能作用，抵消電源的波動，穩定電壓。如圖1所示。

3.2 復位電路

單片機在上電時候狀態并不穩定，為了解決這個問題，單片機需要一個復位邏輯信號，它可以把單片機初始化到某個確定的狀態。除了由專門的復位芯片構成的復位電路以外，最簡單的復位電路就是RC復位電路，復位信號分高電平有效和低電平有效兩種，具體可參看所選用的單片機芯片手冊。

3.3 時鐘電路

目前所有的微控制器均為時序電路，需要一個時鐘信號才能工作，單片機指令的執行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。通常一個系統共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調整頻率的方法保持同步。晶振通常與鎖相環電路配合使用，以提供系統所需的時鐘頻率。如果不同子系統需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環來提供最簡單的就是利用芯片內部的振蕩器來搭建時鐘電路。

3.4 JTAG接口

JTAG（Joint Test Action Group，聯合測試行動小組）是一種國際標準測試協議，主要用于芯片內部測試及對系統進行仿真、調試，JTAG技術是一種嵌入式調試技術，它在芯片內部封裝了專門的測試電路TAP（Test Access Port，測試訪問口），通過專用的JTAG測試工具對內部節點進行測試。如今大多數比較復雜的器件都支持JTAG協議，如ARM、DSP、FPGA器件等。標準的JTAG接口包含測試模式選擇TMS、串行輸入信號TDI、串行輸出信號TDO、測試時鐘TCK等。

4 最小系統的擴展

最小系統是單片機的核心系統，它完成單片機的基本功能。而其他功能由單片機外設來完成。外部器件的接口分為串行接口和并行接口兩種。近年來逐漸出現了各種串行接口芯片，形成了串行擴展總線，常用的有Motorola公司的SPI總線，Philips公司的I2C總線等，支持這些接口總線的器件也越來越多，如A/D、EEPROM、I/O擴展等芯片。

5 結語

單片機最小系統以其簡單的構造、良好的擴展性和通用性，可以直接作為核心控制單元。

在最小系統的基礎上可以方便進行二次開發和功能擴展，縮短開發周期。該最小系統可以應用于工業自動控制、傳感器、電子設計等領域。

參考文獻

[1]張毅剛.單片機原理及接口技術[M].人民郵電出版社，2011.

[2]徐泳龍.單片機原理及應用[M].機械工業出版社，2014.

[3]賈立新，曹全君.高效硬件可重構單片機最小系統設計[J].杭州電子科技大學學報，2012.

收稿日期：2016-09-01

作者簡介：李麗（1975—），女，山西長治人，本科，中級，研究方向：電氣與電子工程。