1.4 MCS-51单片机最小系统
单片机里虽然集成了很多电路，但仍然不能独立运行，必须要外连一些电路，才能使单片机运行起来，这种能使单片机工作的最简电路，就是单片机最小系统。单片机的最小系统主要由单片机、时钟电路、复位电路构成，如果采用的是不带内部ROM的单片机，还需要有外部ROM扩展电路。
时钟电路为单片机工作提供基本时钟，复位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到初始值。图1-9所示电路即为典型的单片机最小系统电路。
图1-9 单片机最小系统电路
1.4.1 时钟电路
在设计单片机系统电路时，时钟电路是不可缺少的。在计算机系统中，所有的工作都是在一个节拍（时钟）下同步工作，这样才不会出现冲突。时钟的快慢决定了系统的工作效率，我们通常所说的计算机的主频就是指系统时钟的频率。而在计算机系统中，系统时钟是由晶振电路来提供的，可以说时钟电路是单片机控制系统的心脏。
1.时钟信号的产生
在51单片机内部有一个高增益反向放大器，其输入端引脚为XTAL1，其输出端引脚为XTAL2，由该放大器构成的振荡电路和时钟电路一起构成了单片机的时钟方式。根据硬件电路的不同，单片机的时钟连接方式有两种，内部时钟方式和外部时钟方式，如图1-10所示。
内部方式时钟电路如图1-10（a）所示。在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，就能构成自激振荡电路。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路。电容器C1和C2主要起频率微调作用，电容值可选取为30pF左右（外接晶体时）或40pF左右（外接陶瓷谐振器时）。
外部方式时钟电路如图1-10（b）所示。XTAL1接外部振荡器，XTAL2悬空。对外部振荡信号无特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
图1-10 MCS-51单片机的时钟电路
（a）内部方式时钟电路；（b）外部方式时钟电路
注意：在单片机中，晶振电路的设计一定要和单片机靠近，线路尽量短，晶振电路的地一定要和同一时钟的芯片的地共地，以减少引线的寄生电容，保证振荡器可靠工作。在晶振频率的选择上，在满足系统需要的前提下尽可能地选用低频率的晶振，这样可以降低系统功耗，不是选用的频率越高越好。
2.时序
单片机执行指令是在时序电路的控制下一步一步进行的，通常以时序图的形式来表明相关信号的波形及先后次序。
MCS-51时序的定时单位共有4个，从小到大依次是：节拍、状态、机器周期和指令周期。振荡电路产生的振荡脉冲并不直接使用，而是经分频后再为系统所用，如图1-11所示。
图1-11 振荡脉冲的分频(https://www.daowen.com)
振荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号（注意时钟脉冲与振荡脉冲之间的二分频关系，否则会造成概念上的错误），在二分频的基础上再三分频产生ALE信号（这就是在前面介绍ALE时所说的“ALE以晶振六分之一的固定频率输出的正脉冲”），在二分频的基础上再进行六分频来得到机器周期信号。
（1）节拍与状态。
把振荡脉冲的周期定义为节拍（用“P”表示），也就是晶振的振荡频率fosc。振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号，把时钟信号的周期定义为状态（用“S”表示）。这样，一个状态就包含两个节拍，其前半周期对应的节拍叫节拍1（P1），后半周期对应的节拍叫节拍2（P2）。
（2）机器周期。
规定一个机器周期的宽度为6个状态，并依次表示为：S1～S6。由于一个状态又包括两个节拍，因此一个机器周期总共有12个节拍，分别记作S1P1、S1P2、…、S6P12。由于一个机器周期共有12个振荡脉冲周期，因此机器周期就是振荡频率的十二分频，如图1-12所示。
图1-12 节拍、状态和机器周期
（3）指令周期。
指令周期是最大的时序定时单位，执行一条指令所需要的时间称为指令周期。指令周期以机器周期的数目来表示，MCS-51的指令周期根据指令的不同，可包含有一（单周期）、二（双周期）、三或四个机器周期。
指令的运算速度和指令所包含的机器周期数有关，机器周期数越少的指令执行速度越快。例如，当振荡脉冲频率为12MHz时，一个机器周期为1μs，当振荡脉冲频率为6MHz时，一个机器周期为2μs。对于振荡脉冲频率为12MHz的单周期指令、双周期指令、三周期指令和四周期指令，其指令的执行时间分别为1μs、2μs、3μs和4μs。
1.4.2 复位电路
在单片机系统中，复位电路是不可缺少的。单片机在正常工作（即执行指令）前，必须要进行复位操作，这样做的目的是将CPU以及系统中其他部件都处于一个明确的初始状态，便于系统启动。
要实现复位操作，必须使单片机RST引脚至少保持2个机器周期以上的高电平即可。在实际系统中，考虑到系统电源电压的上升时间和晶体振荡器的起振时间，为了保证系统能可靠复位，复位信号应该至少维持20 ms以上高电平。
单片机的复位电路有很多种，主要分为上电复位和外部复位两种，如图1-13所示。
图1-13 复位电路
图1-13（a）所示为上电复位方式电路。它利用电容充电来实现复位，在接电瞬间，RST端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RST的电位逐渐下降。只要保证RST为高电平的时间大于两个机器周期，便能正常复位。
图1-13（b）所示也为上电复位方式电路，增加了一个二极管并联在电阻两端。当电源断电后，电容通过二极管迅速放电，待电源恢复时便可实现可靠上电自动复位。若没有二极管，当电源因某种干扰瞬间断电时，电容不能迅速将电荷放掉，而待电源恢复时，单片机不能上电自动复位，导致程序运行失控。
图1-13（c）所示为外部按键复位方式。该电路除具有上电复位功能外，还可以通过按键S1实现复位，此时电源VCC经过按键，在RST端产生一个复位高电平。
