单片机为什么需要时钟？2种时钟电路对比？
目录
一、晶体振荡器（Crystal Oscillator）的核心知识
单片机研发设计的项目中，它的最小电路系统包含
- 电源电路
- 复位电路
- 时钟电路；
这些是构成电路的基本单元。
其中电源电路与复位电路，工程师一般非常容易理解与设计。
然而对于时钟电路，由于不同的开发项目功能需求不一样，设计的方案选择也不尽相同，很难得到有效的统一设计。
比如：一个项目对研发成本要求较严格，功能较简单；而另一个项目电路系统需要与外界电路系统完成串口通信，通信数据要求不能出错；这两个电路就有很大区别
首先，从最基本的晶体振荡器说起
一、晶体振荡器（Crystal Oscillator）的核心知识
晶体振荡器是一种常见且精度高的时钟源。它通常由一个石英晶体振荡器组成，其振荡频率由晶体的物理特性决定。
晶体振荡器一般包括以下几点：
石英晶体：晶体的选择取决于所需的振荡频率和精度。常见的石英晶体频率包括32.758K, 12MHz、24MHz等。
振荡电路：晶体振荡器需要一个振荡电路来启动和维持振荡。这通常涉及到晶体振荡器芯片或集成电路。
负载电容：晶体振荡器的工作需要与其并联的负载电容。这些电容帮助调节振荡频率。
振荡器输出：振荡器的输出连接到单片机的时钟输入引脚。
晶体振荡器的优点包括高稳定性和精度，适用于需要较高时钟精度的应用，如通信设备和精密测量仪器。
二、单片机为什么需要时钟电路？
时钟电路对于单片机的正常运行至关重要，因为它提供了基准时序，用于同步单片机内部各个模块的操作。主要用在以下地方：
同步操作：单片机内部的各个功能模块，如CPU、存储器、输入/输出接口等，需要在特定的时间点协同工作。时钟信号提供了一个同步基准，确保这些模块按照预定的时间序列进行操作。
指令执行：单片机的CPU执行指令的速度是由时钟信号控制的。每个时钟周期，CPU执行一个或多个指令。时钟的存在确保了指令的有序执行。
数据传输：在数据传输和处理过程中，时钟信号确保了数据在正确的时间被读取或写入。这对于确保数据的可靠性和一致性非常重要。
定时器和计数器：许多单片机内置了定时器和计数器，用于执行定时任务、计算时间间隔等。这些功能通常依赖于时钟信号的精准计时。
串行通信：时钟信号对于串行通信协议（如UART、SPI、I2C等）的正确传输和接收数据至关重要。时钟同步确保数据的准确传输。
功耗管理：单片机通常具有不同的功耗模式，如运行模式、睡眠模式等。时钟电路有助于在不同的模式之间切换，并控制单片机的整体功耗。
系统稳定性：时钟信号的稳定性对于整个系统的稳定性和可靠性至关重要。不稳定的时钟信号可能导致系统不可预测的行为。
综上所述，时钟电路为单片机提供了一个基准，确保内部各个部件在协调的时间序列内正常运行。这对于单片机的可编程性和灵活性至关重要，使其能够适应各种不同的应用场景。
三、单片机的时钟电路方案
针对单片机的时钟频率电路，工程师依据不同的项目要求去设计与选择匹配的方案，具体的选择方案以下两种。
01、外部晶振方案
所谓外部晶振方案，是指在单片机的时钟引脚X1与X2外部连接一个晶振。如下图所示，这种电路常用在早期的单片机电路中，或者对时钟要求精度高的系统中。因为，内部时钟，由于单片机内部设计空间成本考虑，所以，始终精度有限。
单片机外部晶振图
优点：时钟频率精度高，稳定性能好；
对于一些数据处理能力要求较高的项目，尤其是多个电路系统彼此需要信息通讯，如包含USB通讯、CAN通讯的项目，选用外部晶振的方案较多。
缺点：由于增加了外部晶振，所以研发的BOM表元器件成本增加扩大了。成本会更高一些。
02、内部晶振方案
所谓内部晶振方案，是指单片机利用内部集成的RC振荡电路产生的时钟频率。
单片机内部晶振电路图
优点：省去外部晶振，工程师可以有效节约研发BOM元器件成本。
缺点：RC振荡电路产生的时钟频率精度比较低，误差较大，容易引起一些高频率通信的数据交互错误。
这种电路，外部不需要晶振及电容，大批量生产，尤其节省成本，因此被多数成本敏感性方案所采纳。
然后，看看芯片内部的时钟大概结构
系统时钟控制器为单片机的CPU和所有外设系统提供时钟源，系统时钟有3个时钟源可供选择：内部高精度24MHz的IRC、内部32KHz的IRC（误差较大）、外部晶体振荡器或外部时钟信号。用户可通过程序分别使能和关闭各个时钟源，以及内部提供时钟分频以达到降低功耗的目的。
单片机进入掉电模式后，时钟控制器将会关闭所有的时钟源
四、总结
单片机的时钟电路设计方案主要有两种：
外部晶振方案和内部RC振荡器方案。
外部晶振方案：
晶振选择：需要选择一个适当的晶振，通常是石英晶振。选择的晶振频率应符合单片机的时钟要求，如8MHz、11.0596MHz等。
振荡电路：外部晶振方案需要一个振荡电路来启动和维持晶振的振荡。这个电路通常由外部的振荡器芯片或晶振驱动芯片提供。
负载电容：晶振通常需要连接负载电容以确保振荡的稳定性。这些电容的值通常在晶振的数据手册中给出。
连接至单片机：振荡器的输出连接到单片机的时钟输入引脚。
外部晶振方案的优点包括稳定性高、精度好，适用于对时钟要求较高的应用，例如通信设备、高精度测量仪器等。
内部RC振荡器方案：
内部振荡器：很多单片机都内置了RC（电阻-电容）振荡器。这种振荡器通常比外部晶振简单，但精度较低。
调整频率：有些单片机允许通过软件调整内部RC振荡器的频率，以满足应用的要求。
成本和尺寸：内部RC振荡器方案通常更简单，成本更低，适用于对时钟要求不那么严格的应用。
连接至单片机：内部振荡器的输出直接连接到单片机的时钟输入引脚。
二者对比：
内部RC振荡器方案的优点在于成本低、设计简单，适用于一些对时钟精度要求不高的应用，例如一般的嵌入式系统。
