单片机最小系统的研究

摘要：近年来，随着自动控制技术的发展，单片机以它开发简单、工作稳定、成本低廉等特点应用越来越广。单片机最小系统是指单片机正常工作的最小硬件系统。在最小系统的基础上可以方便进行二次开发和功能扩展，缩短开发周期。該最小系统可以应用于工业自动控制、传感器、电子设计等领域。本文详细介绍了单片机最小系统各模块的构成和功能，对初学者有一定的指导意义。

关键词：单片机 最小系统 自动控制技术

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0026-01

1 引言

单片机是一种单硅片上集成微型计算机功能的芯片，内部集成了CPU，RAM，ROM，定时器/计数器，I/O接口以及通信接口等主要功能部件。在发展过程中由逐渐扩展了各种控制功能，可以独立执行内部程序，所以单片机也称之为微型控制器。

2 单片机内部结构

单片机由五个基本部分组成，包括中央处理器CPU、时钟、存储器（RAM和ROM）、输入/输出口（I/O）、定时/计数器、中断系统等。

单片机存储器采用Harvard结构，程序存取器和数据存储器完全分开相互独立。程序存储器位只读存储器（ROM），数据存储器为随机存储器（RAM），二者各有寻址方式和控制系统。其中，ROM用于存放应用程序，RAM用于存放程序运行时产生的中间结果、暂存和缓冲数据等。

I/O端口是单片机与外界进行联络的通路，实现对外部设备的控制和数据交换。I/O端口分为串行和并行两种，串行端口一次只能传送一位二进制数，并行端口一次能传送一组二进制数组。

中断系统是指在程序执行过程中，允许外部或内部事件通过硬件中断程序的执行，使其转向处理外部或内部的中断服务程序中去。完成中断服务程序后，CPU继续执行原来被中断的程序。

3 最小系统总体设计

单片机最小系统包括电源电路、时钟电路、复位电路、JTAG接口等。这些部分是保证单片机正常运行的关键部分，其中JTAG接口用来对单片机进行在线调试以及程序下载等。

3.1 电源电路

电源电路一般采用LDO电源芯片为系统供电，可以供3.3V、5V等电源。此外，在电源输入端设计电源保护，采用肖特基二极管限位防止电源反接。在输出端接滤波电容，抑制纹波和滤掉电源中的干扰信号。输出端C3为0.01～0.1uF陶瓷电容，滤掉高频干扰信号。C2为大容量电解电容，通常为10～100uF，可以滤掉低频干扰信号以及在电源电压波动时候起到储能作用，抵消电源的波动，稳定电压。如图1所示。

3.2 复位电路

单片机在上电时候状态并不稳定，为了解决这个问题，单片机需要一个复位逻辑信号，它可以把单片机初始化到某个确定的状态。除了由专门的复位芯片构成的复位电路以外，最简单的复位电路就是RC复位电路，复位信号分高电平有效和低电平有效两种，具体可参看所选用的单片机芯片手册。

3.3 时钟电路

目前所有的微控制器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作，单片机指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供最简单的就是利用芯片内部的振荡器来搭建时钟电路。

3.4 JTAG接口

JTAG（Joint Test Action Group，联合测试行动小组）是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试，JTAG技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路TAP（Test Access Port，测试访问口），通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。如今大多数比较复杂的器件都支持JTAG协议，如ARM、DSP、FPGA器件等。标准的JTAG接口包含测试模式选择TMS、串行输入信号TDI、串行输出信号TDO、测试时钟TCK等。

4 最小系统的扩展

最小系统是单片机的核心系统，它完成单片机的基本功能。而其他功能由单片机外设来完成。外部器件的接口分为串行接口和并行接口两种。近年来逐渐出现了各种串行接口芯片，形成了串行扩展总线，常用的有Motorola公司的SPI总线，Philips公司的I2C总线等，支持这些接口总线的器件也越来越多，如A/D、EEPROM、I/O扩展等芯片。

5 结语

单片机最小系统以其简单的构造、良好的扩展性和通用性，可以直接作为核心控制单元。

在最小系统的基础上可以方便进行二次开发和功能扩展，缩短开发周期。该最小系统可以应用于工业自动控制、传感器、电子设计等领域。

参考文献

[1]张毅刚.单片机原理及接口技术[M].人民邮电出版社，2011.

[2]徐泳龙.单片机原理及应用[M].机械工业出版社，2014.

[3]贾立新，曹全君.高效硬件可重构单片机最小系统设计[J].杭州电子科技大学学报，2012.

收稿日期：2016-09-01

作者简介：李丽（1975—），女，山西长治人，本科，中级，研究方向：电气与电子工程。