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51单片机指令周期机器周期时钟详解

发布时间:2019-06-15 20:27 来源:未知 编辑:admin

  外接的晶振的振荡周期就是时钟周期,时钟周期=振荡周期。比方说,80C51单片机外接了一个11.0592M的,那我们就说这个单片机系统的时钟周期是1/11.0592M,这里要注意11.0592M是频率,周期是频率的倒数。

  机器周期:单片机执行指令所消耗的最小时间单位。我们都知道51单片机采用的CISC(复杂指令指令集),所以有很多条指令,并且各条指令执行的时间也可能不一样(有一样的哦),但是它们执行的时间必须是机器周期的整数倍,这就是机器周期的意义所在。8051系列单片机又在这个基础上进行细分,将一个机器周期划分为6个状态周期,也就是S1-S6,每个状态周期又由两个节拍组成,P1和P2,而P1=P2=时钟周期。这也就是经常说的8051系列单片机的的时钟频率是晶振频率的12分频,或者是1/12,就是这个意思。现在(截至2012)新的单片机已经能做到不分频了,就是机器周期=时钟周期。

  指令周期:指令周期执行某一条指令所消耗的时间,它等于机器周期的整数倍。传统的80C51单片机的指令周期大多数是单周期指令,也就是指令周期=机器周期,少部分是双周期指令。现在(截至2012)新的单片机已经能做到不分频了,并且尽量单指令周期,就是指令周期=机器周期=时钟周期。

  时序是用定时单位来描述的,MCS-51的时序单位有四个,它们分别是节拍、状态、机器周期和指令周期,接下来我们分别加以说明。

  我们把振荡脉冲的周期定义为节拍(为方便描述,用P表示),振荡脉冲经过二分频后即得到整个单片机工作系统的时钟信号,把时钟信号的周期定义为状态(用S表示),这样一个状态就有两个节拍,前半周期相应的节拍我们定义为1(P1),后半周期对应的节拍定义为2(P2)。

  MCS-51有固定的机器周期,规定一个机器周期有6个状态,分别表示为S1-S6,而一个状态包含两个节拍,那么一个机器周期就有12个节拍,我们可以记着S1P1、S1P2S6P1、S6P2,一个机器周期共包含12个振荡脉冲,即机器周期就是振荡脉冲的12分频,显然,如果使用6MHz的时钟频率,一个机器周期就是2us,而如使用12MHz的时钟频率,一个机器周期就是1us。

  执行一条指令所需要的时间称为指令周期,MCS-51的指令有单字节、双字节和三字节的,所以它们的指令周期不尽相同,也就是说它们所需的机器周期不相同,可能包括一到四个不等的机器周期(这些内容,我们将在下面的章节中加以说明)。

  MCS-51指令系统中,按它们的长度可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。执行这些指令需要的时间是不同的,也就是它们所需的机器周期是不同的,有下面几种形式:

  单字节单周期指令只进行一次读指令操作,当第二个ALE信号有效时,PC并不加1,那么读出的还是原指令,属于一次无效的读操作。

  这类指令两次的ALE信号都是有效的,只是第一个ALE信号有效时读的是操作码,第二个ALE信号有效时读的是操作数。

  两个机器周期需进行四读指令操作,但只有一次读操作是有效的,后三次的读操作均为无效操作。

  单字节双周期指令有一种特殊的情况,象MOVX这类指令,执行这类指令时,先在ROM中读取指令,然后对外部数据存储器进行读或写操作,头一个机器周期的第一次读指令的操作码为有效,而第二次读指令操作则为无效的。在第二个指令周期时,则访问外部数据存储器,这时,ALE信号对其操作无影响,即不会再有读指令操作动作。

  右图8051外部程序存储器读时序图,从图中可看出,P0口提供低8位地址,P2口提供高8位地址,S2结束前,P0口上的低8位地址是有效的,之后出现在P0口上的就不再是低8位的地址信号,而是指令数据信号,当然地址信号与指令数据信号之间有一段缓冲的过度时间,这就要求,在S2其间必须把低8位的地址信号锁存起来,这时是用ALE选通脉冲去控制锁存器把低8位地址予以锁存,而P2口只输出地址信号,而没有指令数据信号,整个机器周期地址信号都是有效的,因而无需锁存这一地址信号。

  从外部程序存储器读取指令,必须有两个信号进行控制,除了上述的ALE信号,还有一个PSEN(外部ROM读选通脉冲),上图显然可看出,PSEN从S3P1开始有效,直到将地址信号送出和外部程序存储器的数据读入CPU后方才失效。而又从S4P2开始执行第二个读指令操作。

  右图8051外部数据存储器读写时序图,从ROM中读取的需执行的指令,而CPU对外部数据存储的访问是对RAM进行数据的读或写操作,属于指令的执行周期,值得一提的是,读或写是两个不同的机器周期,但他们的时序却是相似的,我们只对RAM的读时序进行分析。

  上一个机器周期是取指阶段,是从ROM中读取指令数据,接着的下个周期才开始读取外部数据存储器RAM中的内容。

  总线。当RD选通脉冲有效时,将RAM的数据通过P0数据总线读进CPU。第二个机器周期的ALE信号仍然出现,进行一次外部ROM的读操作,但是这一次的读操作属于无效操作。

  对外部RAM进行写操作时,CPU输出的则是WR(写选通信号),将数据通过P0数据总线写入外部存储

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