MCS-51系列单片机最小系统是由单片机、时钟电路、复位电路和电源组成的，其示意图如图1-6所示。这个系统是最简单的单片机系统，该系统做不了什么实际工作，与外界没有信息交换，但却是一个基本的框架结构，其他的实用单片机系统都是在这个框架的基础上进行扩充而得到的。下面对时钟电路与时序以及复位电路进行介绍。

1.时钟电路与时序

时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必需的时钟信号。MCS-51单片机本身是一个复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，MCS-51单片机应在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行指令进行工作，而时序所研究的是指令执行中各个信号的关系。

（1）时钟电路

时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准的，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。

1）内部时钟方式。MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL₁，输出端为引脚XTAL₂。如果将这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。图1-7所示是MCS-51单片机内部时钟方式的振荡器电路。

电路中的电容C₁和C₂通常选择为30pF左右，晶体的振荡频率的范围通常是在1.2～12MHz。晶体的频率越高，系统的时钟频率就越高，单片机的运行速度也就越快。

常选择MCS-51系列单片机的振荡频率为6MHz或12MHz的石英晶体。随着集成电路制造工艺技术的发展，单片机的时钟频率也在逐步提高，目前高速单片机芯片的时钟频率已达40MHz。

2）外部时钟方式。外部时钟方式是使用外部振荡脉冲信号，常用于多片MCS-51单片机同时工作的情况，以便于同步。对外部脉冲信号的要求一般为低于12MHz的方波。

将外部的时钟源直接接到XTAL₂端，直接输入到片内的时钟发生器上。MCS-51单片机外部时钟方式的振荡器电路如图1-8所示。XTAL₂的逻辑电平不是TTL的，故建议外接一个4.7～10kΩ的上拉电阻。

图1-7 MCS-51单片机内部时钟方式的振荡器电路

图1-8 MCS-51单片机外部时钟方式的振荡器电路

（2）时序

在执行指令时，CPU首先要到程序存储器中取出需要执行的指令操作码，然后译码，并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。CPU发出的时序信号有两类：一类用于片内对各个功能部件的控制，这类信号很多，但用户无需了解，故通常也不做介绍；另一类用于对片外存储器或I/O端口的控制，这部分时序对于分析、设计硬件接口电路至关重要。这也是单片机应用系统设计者普遍关心的问题。

1）时序定时单位。

①节拍。把振荡脉冲的周期定义为节拍（用“P”表示）。

若晶体的振荡频率为f_osc，则1个节拍=T_osc=1/fosc。

②状态。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），即1个状态=2个节拍，将前半个周期对应的节拍记为P1，后半个周期对应的节拍记为P2。

③机器周期。单片机中常把执行一条指令的过程分为若干阶段。每个阶段为一个基本操作，如取指令、读或写数据等。CPU完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。

MCS-51系列单片机每6个状态（即12个节拍）为一个机器周期。一个机器周期中的6个状态依次表示为S1～S6，由于一个状态包括两个节拍，所以一个机器周期有12个节拍，分别记做S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、…、S6P2。

若晶振频率f_osc=6MHz，则T_cy=2µs；若f_osc=12MHz，则T_cy=1µs。

④指令周期。指令周期是执行一条指令所需的时间。可将MCS-51单片机中的指令按字节分为单字节、双字节、三字节指令，因此执行一条指令的时间也不同。(www.daowen.com)

按指令长度及指令周期可将指令分为单字节单机器周期指令、单字节双机器周期指令、单字节四机器周期指令（乘除法指令）、双字节单机器周期指令、双字节双机器周期指令和三字节双机器周期指令。在编程时要注意选用具有同样功能而机器周期数少的指令。

2）MCS-51单片机的指令时序。当MCS-51单片机执行任何一条指令时，都可以被分为取指令阶段和执行指令阶段。取指令阶段简称为取指阶段，单片机在这个阶段里可以把程序计数器PC中的地址送到程序存储器中，并从中取出需要执行指令的操作码和操作数。在指令执行阶段可以对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号来完成指令的执行。

图1-9列举了MCS-51单片机几种典型指令的取指令和执行指令的时序图。图中的ALE信号是为地址锁存而定义的，该信号每有效一次，则对应MCS-51单片机的一次读指令的操作。ALE信号以时钟脉冲1/6的频率出现，因此在一个机器周期中，ALE信号每两次有效，第1次在S1P2和S2P1期间，第2次在S4P2和S5P1期间，有效宽度为一个状态周期。

图1-9 MCS-51单片机几种典型指令的取指令和执行指令的时序图

a）单字节，单周期指令 例：INC A b）双字节，单周期指令 例：ADDA，#data c）单字节，双周期指令 例：INC DPTR d）双字节，双周期指令 例：MOVX类指令

现对几个典型指令的时序以下说明。

①单字节单机器周期指令（如INC A）。对单字节指令只需要进行一次读指令操作。当第2个ALE信号有效时，由于PC没有加1，所以读出的还是原指令，属于一次无效的操作。

②双字节单机器周期指令（如ADD A，#data）。在这种情况下对应于ALE的两次读操作都是有效的，第1次是读指令码，第2次是读指令的第2字节（本例中是立即数）。

③单字节双机器周期指令（如INC DPTR）。在两个机器周期内共进行4次读指令的操作，但后3次的读操作是无效的。

④单字节双机器周期指令（如MOVX类指令）。如前所述，每个机器周期内有两次读指令操作，但MOVX类指令情况有所不同，这是因为执行这类指令时，先从ROM取指令，然后对片外RAM进行读/写操作。第1个机器周期时与其他指令一样，第1次是读指令（操作码）有效，第2次是读指令无效。在第2个机器周期时，进行片外RAM访问，此时，与ALE信号无关，因此，不产生读指令的操作，如图1-9所示。

2.复位电路

单片机复位是指使CPU和系统中的其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，且从这个初始状态开始工作。单片机在上电时、断电后或发生故障后都要复位。MCS-51系列单片机的复位条件是必须使第9（RST，即RESET）引脚上连续出现两个机器周期以上的高电平。

图1-10所示为上电复位电路图。该电路是利用电容的充电特性（在充电起始充电速度很快，电容相当于短路；随着充电时间的延长，充电速度越来越慢；最后当充电速度变得非常小即充电达到平衡时，电容相当于开路）来实现复位的。在接通电源瞬间，V_CC通过电容C加到RST端；随着充电时间延长，RST端的电位逐渐下降；在充电完毕后，RST端电位变为0。在这里需要说明的是，加到RST端高电平的时间是由RC参数来决定的。为保证可靠地复位，RC要大，但是不能太大，过大会使得RST端的高电平持续时间过长，使系统长时间处于复位状态，这是不允许的。

图1-11所示为按键复位电路图。该电路除了具有上电复位功能外，还可通过RST键实现复位。例如当系统在工作过程中出现故障时，若要复位，则可通过按下该复位键来实现。当RST键被按下时，电源V_CC通过电阻R₁和R₂的分压，在RST端产生一高电平，使系统实现复位；在按键被弹起后，该通路断开，RST端高电平消失，复位结束。

图1-10 上电复位电路图

图1-11 按键复位电路图

单片机复位后内部各SFR的状态表如表1-6所示。

表1-6 单片机复位后内部各SFR的状态表

注：表中的“*”表示无关位。