单片机工作时序

三、单片机工作时序

（一）时钟电路

时钟信号可以由两种方式产生：一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路产生时钟信号；另一种为外部方式，时钟信号由外部引入．

51单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，放大器的输入、输出端分别为引脚XTAL1和XTAL2．外接石英晶体和陶瓷电容可构成自激振荡器，这种方式称为内部时钟方式．如果振荡器已起振，则在XTAL2引脚上输出3V左右的正弦波，振荡器的频率取决于晶振的频率．电容C1和C2主要作用是帮助起振（谐振），其值的大小对振荡频率也有影响．因此常用可通过调节C1或C2的容量大小对频率进行微调，电容容量通常在20pF～100pF之间选择，当时钟频率为12MHz时典型值为30pF．

（二）时序定时单位

1．拍节与状态．

把振荡脉冲的周期定义为拍节（用P表示）．振荡脉冲经过二分频后，就是单片机时钟信号的周期，将其定义为状态（用S表示）．这样，一个状态就包含两个拍节，其前半周期对应的拍节叫拍节1（P1），后半周期对应的拍节叫拍节2（P2）．

2．机器周期．

51单片机采用定时控制方式，因此它有固定的机器周期．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拍节，因此一个机器周期总共有12个拍节，分别记作S1P1、S1P2、…、S6P2．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脉冲的十二分频．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．

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．它一般由若干个机器周期组成．不同的指令，所需要的机器周期数也不相同．通常，包含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令，指令的运算速度与指令所包含的机器周期有关，机器周期数越少的指令执行速度越快．MCS－51单片机通常可以分为单周期指令、双周期指令和四周期指令等三种．四周期指令只有乘法和除法指令两条，其余均为单周期和双周期指令．

单片机执行任何一条指令时都可以分为取指令阶段和执行指令阶段，时序如图1－5所示，（1）为单字节单周期指令；（2）为双字节单周期指令；（3）为单字节双周期指令．

（三）指令的执行时序

图1－5（a）、图1－5（b）所示分别给出了单字节单周期和双字节单周期指令的时序．单周期指令的执行始于S1P2，这时操作码被锁存到指令寄存器内．若是双字节，则在同一机器周期的S4读第二字节．若是单字节指令，则在S4仍有读操作，但被读入的字节无效，且程序计数器PC并不增加．图1－5（c）给出了单字节双周期指令的时序，两个机器周期内进行4次读操作码操作．因为是单字节指令，所以，后三次读操作都是无效的．

图1－5　单片机指令时序图