2.5 时钟与复位电路

2.5.1 时钟电路

嵌入式处理器的工作是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的，能产生时钟脉冲的电路称为时钟电路。对于同一系列、相同体系结构的嵌入式处理器而言，时钟脉冲的频率（相当于PC的主频）越高，CPU的处理速度就越快。

时钟脉冲产生方法通常有以下两种。

1.内部时钟方式

嵌入式处理器芯片内部通常有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟脉冲，外部还需附加电路，如图2.41所示。

引脚XTALl和XTAL2内部高增益反相放大器的输入端和输出端，在引脚XTALl和XTAL2两端跨接无源晶振，就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路，外接晶振时，Cl和C2的值通常选择为30pF左右。Cl、C2对频率有微调作用。为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，晶振和电容应尽可能安装得与嵌入式处理器引脚XTALl和XTAL2靠近。

该电路利用了嵌入式处理器内部的高增益的反相放大器，外部电路接线简单，只需要1个晶振和2个电容即可，嵌入式应用系统中大多采用此电路。该电路产生的时钟信号的振荡频率就是晶振的固有频率，用fosc表示。

2.外部时钟方式

外部时钟方式是利用外部振荡脉冲接入嵌入式处理器时钟脉冲输入引脚，如图2.42所示。

外部时钟电路通常使用有源晶振，有源晶振无须微处理器的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单，不需要复杂的配置电路。相对于无源晶振，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适的输出电平，灵活性较差，而且价格高。

2.5.2 复位电路简介

复位是嵌入式系统的初始化操作。嵌入式系统启动运行时，都需要首先复位，其作用是使微处理器和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。

嵌入式处理器芯片都有一个引脚为复位信号输入端。不同的处理器芯片要求的复位信号不一定相同，可分为高电平复位信号和低电平复位信号，这种高低电平信号往往还需要具有一定的负载驱动能力。

除了嵌入式处理器外，其他外围电路芯片也有可能需要复位信号。

能产生并提供嵌入式系统所需复位信号的电路称为复位电路。

满足要求的复位信号使嵌入式处理器及外围各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。

嵌入式系统的复位电路有：电源上电复位、手动按钮复位、电源监控复位等。

在电源上电时，复位电路随即产生复位信号施加于复位引脚，当电源电压达到所要求的工作电压时，且时钟电路稳定工作一定时间，复位信号才被撤除，嵌入式系统开始正常运行，上电复位称冷复位。在嵌入式系统运行过程中，利用手动按钮或其他电路产生复位信号，使嵌入式系统重启，则称为热复位。

无论用户使用哪种类型的微处理器构成的嵌入式系统，总要涉及复位电路的设计。而复位电路设计的好坏，将直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完嵌入式硬件系统，并在实验室调试成功后，在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象，有很大一部分原因是复位电路不可靠引起的。

2.5.3 简单复位电路

1.上电+按键复位电路

上电+按键复位电路如图2.43所示。图2.43（a）为高电平信号复位电路，图2.43（b）为低电平信号复位电路。

图2.43给出了典型的复位电路参数。在图2.43（a）中，上电瞬间，由于电容两端电压不能突变，RST引脚端为高电平，出现复位正脉冲，RST引脚的高电平电位会随着电容的充电变低，其持续时间取决于RC电路的时间常数。RST引脚要有足够长的时间才能保证单片机有效地复位。而在图2.43（b）中，上电瞬间，由于电容两端电压不能突变，/RST引脚端为低电平复位信号，/RST引脚的低电平电位会随着电容的充电变高，其持续时间取决于RC电路的时间常数。/RST引脚要有足够长的时间才能保证单片机有效地复位。

复位按键则用于嵌入式系统运行期间的复位，当复位按键按下后，电容器迅速放电，使复位引脚重新出现复位信号，使系统重启。

图2.43电路中的二极管的作用是电源断开后，提供快速放电通道。

2.同步复位电路

在实际的应用系统中，有些外围芯片也需要复位，如果这些复位端的复位电平要求与微处理器的复位要求一致，则可以直接与之相连。

在有些应用系统中，为了保证复位电路可靠地工作，常将RC复位电路接施密特触发器整形后，再接入单片机微处理器的复位端和外围电路复位端。这特别适合于应用现场干扰大、电压波动大的工作环境，并且，当系统有多个复位端时，能保证可靠地同步复位，在此称其为同步复位电路。如图2.44所示为同步复位电路实例，图中74HCl4为六重施密特反相器。

3.带电源监控的多功能复位电路

RC阻容复位电路，复位信号波形差，复位不可靠，特别是在快速开关机时容易出现复位不良的现象。为了保证嵌入式系统更可靠地工作，复位电路可采用带电源监控的微处理器复位监控电路，又称看门狗复位电路。这种集成电路除了提供可靠的、足够宽的高低电平的复位信号外，同时具备电源监控、看门狗定时器功能，有的芯片内部还集成了一定数量的串行E2PROM或RAM，功能强大，接线简单。这些监控电路的特点如下。

电源测控：供电电压出现异常时提供预警指示或中断请求信号，方便系统实现异常处理。

数据保护：当电源或系统工作异常时，对数据进行必要的保护，如写保护数据备份或切换后备电池。

看门狗定时器：当系统程序跑飞或死锁时复位系统。

一定数量的E2PROM串行存储器。

日历时钟。

其他的功能，如温度测控、短路测试等。

看门狗复位电路的主要原理是，微处理器正常工作时，通过I/O口的输出信号不断地复位计数器，使得计数器的计数值不超过某一值；当微处理器不能正常工作时，由于计数器不能被复位，因此其计数值会超过某一值，从而产生硬件复位脉冲复位微处理器系统，使得微处理器恢复正常工作状态。下面以单片机系统中常用的CAT24C××1系列看门狗电路说明其应用特点。

CAT24C××1是集E2PROM存储器、精确复位控制器和看门狗定时器三种流行功能于一体的芯片。CAT24C161（16 K）、CAT24C081（8K）、CAT24C041（4K）和CAT24C021（2K）主要作为I2C串行CMOS E2PROM器件，采用先进的CMOS工艺大大降低了器件的功耗。CAT24C××1的另一特点是16字节的页写缓冲区，提供8脚DIP和SOIC封装。CAT24C××1的复位功能和看门狗定时器功能保证系统出现故障的时候能给CPU一个复位信号。CAT24C××1的第2脚输出低电平复位信号，第7脚输出高电平复位信号。CAT24C××1看狗溢出信号从SDA脚输出。其主要特点如下：

数据线上的看门狗定时器（仅对CAT24C××1）。

可编程复位门槛电平（由代理商销售之前设定）。

和400kHzI2C总线兼容。

2.7～6V的工作电压。

低功耗CMOS工艺。

16字节页写缓冲区。

片内防误擦除写保护。

高低电平复位信号输出。

—精确的电源电压监视器。

—可选择5V、3.3V和3V的复位门槛电平。

100万次擦写周期。

数据保存可长达100年。

8脚DIP或SOIC封装。引脚配置如图2.45所示。

WP：写保护。将该引脚接VCC，E2PROM就实现写保护（只读）。将该引脚接地或悬空，可以对器件进行读写操作。

SCL：串行时钟。串行输入输出数据时，该引脚用于输入时钟。

复位I/O口。该引脚为开漏输出脚，可用做复位触发输入。该引脚强制复位的条件下，芯片保持复位状态约200ms。RESET引脚需接下拉电阻，引脚需接上拉电阻。

SDA：串行数据/地址。双向串行数据/地址引脚用于器件所有数据的发送或接收，SDA是一个开漏输出引脚，可与其他开漏输出或集电极开路输出进行线或（wire-OR）。在24C××1系列中，SDA还作为看门狗定时器监控器。

CAT24C021的典型应用电路如图2.46所示。

CAT24C××1的复位和看门狗能在上电和系统出故障时给CPU复位信号，其2脚输出低电平复位信号，7脚输出高电平复位信号，同时提供高/低复位电平。看门狗清零信号从SDA脚输入（脉冲的上升或下降沿均可），看门狗定时时间为1.6秒，单片机软件保证连接SDA的GPIO引脚在必须在小于1.6秒时间内使SDA信号发生一次跳变，以清零看门狗定时器。否则，CAT24C××1重新输出复位信号使系统重启。

CAT24C××1具有硬件数据保护，WP脚（PIN3）可以控制只读或读写，从而防止错误写操作及数据丢失。

CAT24C××1中E2PROM读/写方法同I2C串行E2PROM，详见7.9节。