2.5 時鐘與復位電路

2.5.1 時鐘電路

嵌入式處理器的工作是在統(tǒng)一的時鐘脈沖控制下一拍一拍地進行的，能產(chǎn)生時鐘脈沖的電路稱為時鐘電路。對于同一系列、相同體系結構的嵌入式處理器而言，時鐘脈沖的頻率（相當于PC的主頻）越高，CPU的處理速度就越快。

時鐘脈沖產(chǎn)生方法通常有以下兩種。

1.內(nèi)部時鐘方式

嵌入式處理器芯片內(nèi)部通常有一個高增益反相放大器，用于構成振蕩器，但要形成時鐘脈沖，外部還需附加電路，如圖2.41所示。

引腳XTALl和XTAL2內(nèi)部高增益反相放大器的輸入端和輸出端，在引腳XTALl和XTAL2兩端跨接無源晶振，就構成了穩(wěn)定的自激振蕩器，發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時鐘電路，外接晶振時，Cl和C2的值通常選擇為30pF左右。Cl、C2對頻率有微調(diào)作用。為了減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，晶振和電容應盡可能安裝得與嵌入式處理器引腳XTALl和XTAL2靠近。

該電路利用了嵌入式處理器內(nèi)部的高增益的反相放大器，外部電路接線簡單，只需要1個晶振和2個電容即可，嵌入式應用系統(tǒng)中大多采用此電路。該電路產(chǎn)生的時鐘信號的振蕩頻率就是晶振的固有頻率，用fosc表示。

2.外部時鐘方式

外部時鐘方式是利用外部振蕩脈沖接入嵌入式處理器時鐘脈沖輸入引腳，如圖2.42所示。

外部時鐘電路通常使用有源晶振，有源晶振無須微處理器的內(nèi)部振蕩器，信號質(zhì)量好，比較穩(wěn)定，而且連接方式相對簡單，不需要復雜的配置電路。相對于無源晶振，有源晶振的缺陷是其信號電平是固定的，需要選擇好合適的輸出電平，靈活性較差，而且價格高。

2.5.2 復位電路簡介

復位是嵌入式系統(tǒng)的初始化操作。嵌入式系統(tǒng)啟動運行時，都需要首先復位，其作用是使微處理器和系統(tǒng)中其他部件處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。因而，復位是一個很重要的操作方式。

嵌入式處理器芯片都有一個引腳為復位信號輸入端。不同的處理器芯片要求的復位信號不一定相同，可分為高電平復位信號和低電平復位信號，這種高低電平信號往往還需要具有一定的負載驅(qū)動能力。

除了嵌入式處理器外，其他外圍電路芯片也有可能需要復位信號。

能產(chǎn)生并提供嵌入式系統(tǒng)所需復位信號的電路稱為復位電路。

滿足要求的復位信號使嵌入式處理器及外圍各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。

嵌入式系統(tǒng)的復位電路有：電源上電復位、手動按鈕復位、電源監(jiān)控復位等。

在電源上電時，復位電路隨即產(chǎn)生復位信號施加于復位引腳，當電源電壓達到所要求的工作電壓時，且時鐘電路穩(wěn)定工作一定時間，復位信號才被撤除，嵌入式系統(tǒng)開始正常運行，上電復位稱冷復位。在嵌入式系統(tǒng)運行過程中，利用手動按鈕或其他電路產(chǎn)生復位信號，使嵌入式系統(tǒng)重啟，則稱為熱復位。

無論用戶使用哪種類型的微處理器構成的嵌入式系統(tǒng)，總要涉及復位電路的設計。而復位電路設計的好壞，將直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。許多用戶在設計完嵌入式硬件系統(tǒng)，并在實驗室調(diào)試成功后，在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了“死機”、“程序走飛”等現(xiàn)象，有很大一部分原因是復位電路不可靠引起的。

2.5.3 簡單復位電路

1.上電+按鍵復位電路

上電+按鍵復位電路如圖2.43所示。圖2.43（a）為高電平信號復位電路，圖2.43（b）為低電平信號復位電路。

圖2.43給出了典型的復位電路參數(shù)。在圖2.43（a）中，上電瞬間，由于電容兩端電壓不能突變，RST引腳端為高電平，出現(xiàn)復位正脈沖，RST引腳的高電平電位會隨著電容的充電變低，其持續(xù)時間取決于RC電路的時間常數(shù)。RST引腳要有足夠長的時間才能保證單片機有效地復位。而在圖2.43（b）中，上電瞬間，由于電容兩端電壓不能突變，/RST引腳端為低電平復位信號，/RST引腳的低電平電位會隨著電容的充電變高，其持續(xù)時間取決于RC電路的時間常數(shù)。/RST引腳要有足夠長的時間才能保證單片機有效地復位。

復位按鍵則用于嵌入式系統(tǒng)運行期間的復位，當復位按鍵按下后，電容器迅速放電，使復位引腳重新出現(xiàn)復位信號，使系統(tǒng)重啟。

圖2.43電路中的二極管的作用是電源斷開后，提供快速放電通道。

2.同步復位電路

在實際的應用系統(tǒng)中，有些外圍芯片也需要復位，如果這些復位端的復位電平要求與微處理器的復位要求一致，則可以直接與之相連。

在有些應用系統(tǒng)中，為了保證復位電路可靠地工作，常將RC復位電路接施密特觸發(fā)器整形后，再接入單片機微處理器的復位端和外圍電路復位端。這特別適合于應用現(xiàn)場干擾大、電壓波動大的工作環(huán)境，并且，當系統(tǒng)有多個復位端時，能保證可靠地同步復位，在此稱其為同步復位電路。如圖2.44所示為同步復位電路實例，圖中74HCl4為六重施密特反相器。

3.帶電源監(jiān)控的多功能復位電路

RC阻容復位電路，復位信號波形差，復位不可靠，特別是在快速開關機時容易出現(xiàn)復位不良的現(xiàn)象。為了保證嵌入式系統(tǒng)更可靠地工作，復位電路可采用帶電源監(jiān)控的微處理器復位監(jiān)控電路，又稱看門狗復位電路。這種集成電路除了提供可靠的、足夠?qū)挼母叩碗娖降膹臀恍盘柾猓瑫r具備電源監(jiān)控、看門狗定時器功能，有的芯片內(nèi)部還集成了一定數(shù)量的串行E2PROM或RAM，功能強大，接線簡單。這些監(jiān)控電路的特點如下。

電源測控：供電電壓出現(xiàn)異常時提供預警指示或中斷請求信號，方便系統(tǒng)實現(xiàn)異常處理。

數(shù)據(jù)保護：當電源或系統(tǒng)工作異常時，對數(shù)據(jù)進行必要的保護，如寫保護數(shù)據(jù)備份或切換后備電池。

看門狗定時器：當系統(tǒng)程序跑飛或死鎖時復位系統(tǒng)。

一定數(shù)量的E2PROM串行存儲器。

日歷時鐘。

其他的功能，如溫度測控、短路測試等。

看門狗復位電路的主要原理是，微處理器正常工作時，通過I/O口的輸出信號不斷地復位計數(shù)器，使得計數(shù)器的計數(shù)值不超過某一值；當微處理器不能正常工作時，由于計數(shù)器不能被復位，因此其計數(shù)值會超過某一值，從而產(chǎn)生硬件復位脈沖復位微處理器系統(tǒng)，使得微處理器恢復正常工作狀態(tài)。下面以單片機系統(tǒng)中常用的CAT24C××1系列看門狗電路說明其應用特點。

CAT24C××1是集E2PROM存儲器、精確復位控制器和看門狗定時器三種流行功能于一體的芯片。CAT24C161（16 K）、CAT24C081（8K）、CAT24C041（4K）和CAT24C021（2K）主要作為I2C串行CMOS E2PROM器件，采用先進的CMOS工藝大大降低了器件的功耗。CAT24C××1的另一特點是16字節(jié)的頁寫緩沖區(qū)，提供8腳DIP和SOIC封裝。CAT24C××1的復位功能和看門狗定時器功能保證系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時候能給CPU一個復位信號。CAT24C××1的第2腳輸出低電平復位信號，第7腳輸出高電平復位信號。CAT24C××1看狗溢出信號從SDA腳輸出。其主要特點如下：

數(shù)據(jù)線上的看門狗定時器（僅對CAT24C××1）。

可編程復位門檻電平（由代理商銷售之前設定）。

和400kHzI2C總線兼容。

2.7～6V的工作電壓。

低功耗CMOS工藝。

16字節(jié)頁寫緩沖區(qū)。

片內(nèi)防誤擦除寫保護。

高低電平復位信號輸出。

—精確的電源電壓監(jiān)視器。

—可選擇5V、3.3V和3V的復位門檻電平。

100萬次擦寫周期。

數(shù)據(jù)保存可長達100年。

8腳DIP或SOIC封裝。引腳配置如圖2.45所示。

WP：寫保護。將該引腳接VCC，E2PROM就實現(xiàn)寫保護（只讀）。將該引腳接地或懸空，可以對器件進行讀寫操作。

SCL：串行時鐘。串行輸入輸出數(shù)據(jù)時，該引腳用于輸入時鐘。

復位I/O口。該引腳為開漏輸出腳，可用做復位觸發(fā)輸入。該引腳強制復位的條件下，芯片保持復位狀態(tài)約200ms。RESET引腳需接下拉電阻，引腳需接上拉電阻。

SDA：串行數(shù)據(jù)/地址。雙向串行數(shù)據(jù)/地址引腳用于器件所有數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收，SDA是一個開漏輸出引腳，可與其他開漏輸出或集電極開路輸出進行線或（wire-OR）。在24C××1系列中，SDA還作為看門狗定時器監(jiān)控器。

CAT24C021的典型應用電路如圖2.46所示。

CAT24C××1的復位和看門狗能在上電和系統(tǒng)出故障時給CPU復位信號，其2腳輸出低電平復位信號，7腳輸出高電平復位信號，同時提供高/低復位電平。看門狗清零信號從SDA腳輸入（脈沖的上升或下降沿均可），看門狗定時時間為1.6秒，單片機軟件保證連接SDA的GPIO引腳在必須在小于1.6秒時間內(nèi)使SDA信號發(fā)生一次跳變，以清零看門狗定時器。否則，CAT24C××1重新輸出復位信號使系統(tǒng)重啟。

CAT24C××1具有硬件數(shù)據(jù)保護，WP腳（PIN3）可以控制只讀或讀寫，從而防止錯誤寫操作及數(shù)據(jù)丟失。

CAT24C××1中E2PROM讀/寫方法同I2C串行E2PROM，詳見7.9節(jié)。