十課單片機(jī)時(shí)序及延時(shí)分析

1、第十五課：51單片機(jī)時(shí)序及延時(shí)分析計(jì)算機(jī)工作時(shí)，是在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖控制下一拍一拍地進(jìn)行的。這個(gè)脈沖是由單片機(jī)控制器中的時(shí)序電路發(fā)出的。 單片機(jī)的時(shí)序就是 CPU在執(zhí)行指令時(shí)所需控制信號(hào)的時(shí)間順序，為了保證各部件間的同步工作，單片機(jī)內(nèi)部電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)下嚴(yán)格地控時(shí)序進(jìn)行工 作，在學(xué)習(xí)51單片機(jī)的時(shí)序之前，我們先來了解下時(shí)序相關(guān)的一些概念。既然計(jì)算機(jī)是在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖控制下工作的，那么，它的時(shí)鐘脈沖是怎么來的呢？要給我們的計(jì)算機(jī) CPU提供時(shí)序，就需要相關(guān)的硬件電路，即振蕩器和時(shí)鐘電路。我們學(xué)習(xí)的8051單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，這個(gè)反相放大器的作用就是用于構(gòu) 成振蕩器用的，但要形成

2、時(shí)鐘，外部還需要加一些附加電路。8051單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生有以下兩種方法：一、內(nèi)部時(shí)鐘方式：利用單片機(jī)內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳XTAL1（ 18腳）和XTAL2（ 19腳）兩端接晶振，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘電路，外接晶振時(shí)，晶振兩端的電容一般選擇為30PF左右；這兩個(gè)電容對頻率有微調(diào)的作用，晶振的頻率范圍可在 1.2MHz-12MHz之間選擇。為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩 器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近。（提示一下，本站提供的學(xué)習(xí)套件全部采用的就是這種時(shí)鐘方式）。二、外部時(shí)鐘方式：此方式是利用外部振蕩脈沖接入XTAL1或XTAL

3、2 HMOSD CHMO單片機(jī)外時(shí)鐘信號(hào)接入方式不同，HMO型單片機(jī)（例如8051）外時(shí)鐘信號(hào)由XTAL2端腳注入后直接送至內(nèi)部時(shí)鐘電路， 輸入端XTAL1應(yīng)接地。由于XTAL2端的邏輯電平不是 TTL的，故建議外接一個(gè)上接電阻。 對 于CHMO型的單片機(jī)（例如80C51），因內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的信號(hào)取自反相器的輸入端，故采用外部時(shí)鐘源時(shí)，接線方式為外時(shí)鐘信號(hào)接到XTAL1而XTAL2懸空。如下圖外時(shí)鐘信嗎盹肌外時(shí)鐘源接法80051時(shí)娜源接法外接時(shí)鐘信號(hào)通過一個(gè)二分頻的觸發(fā)器而成為內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)，要求高、低電平的持續(xù)時(shí)間都大于20ns, 般為頻率低于12MHz的方波。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器就是上述的二分頻觸

4、發(fā)器，它 向芯片提供了一個(gè) 2節(jié)拍的時(shí)鐘信號(hào)。前面已提到，計(jì)算機(jī)工作時(shí)，是在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖控制下一拍一拍地進(jìn)行的。由于指令的字節(jié)數(shù)不同，取這些指令所需要的時(shí)間也就不同， 即使是字節(jié)數(shù)相同的指令， 由于執(zhí)行 操作有較大的差別，不同的指令執(zhí)行時(shí)間也不一定相同， 即所需的拍節(jié)數(shù)不同。為了便于對 CPU時(shí)序進(jìn)行分析，一般按指令的執(zhí)行過程規(guī)定了幾中周期，即時(shí)鐘周期、機(jī)器周期和指令周期，也稱為時(shí)序定時(shí)單位，下面分別予以講解。時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期也稱為振蕩周期，定義為時(shí)鐘脈沖的倒數(shù)（可以這樣來理解，時(shí)鐘周期就是單片機(jī)外接晶振的倒數(shù)，例如12M的晶振，它的時(shí)間周期就是1/12 us），是計(jì)算機(jī)中最基本的、最小的時(shí)

5、間單位。在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，CPU僅完成一個(gè)最基本的動(dòng)作。對于某種單片機(jī)，若采用了 1MHZ 的時(shí)鐘頻率，則時(shí)鐘周期為1us;若采用4MHZ勺時(shí)鐘頻率，則時(shí)鐘周期為 250us。由于時(shí)鐘脈沖是計(jì)算機(jī)的基本工作脈沖，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏（使計(jì)算機(jī)的每一步都統(tǒng)一到它的步調(diào)上來）。顯然，對同一種機(jī)型的計(jì)算機(jī)，時(shí)鐘頻率越高，計(jì)算機(jī)的工作速度就越快。 但是，由于不同的計(jì)算機(jī)硬件電路和器件的不完全相同，所以其所需要的時(shí)鐘周頻率范圍也不一定相同。我們學(xué)習(xí)的8051單片機(jī)的時(shí)鐘范圍是 1.2MHz-12MHz。P表示），二個(gè)節(jié)拍定義為在8051單片機(jī)中把一個(gè)時(shí)鐘周期定義為一個(gè)節(jié)拍（用 個(gè)狀態(tài)周期（用 S表示

6、）。請大家參考后面的時(shí)序圖。機(jī)器周期在計(jì)算機(jī)中，為了便于管理，常把一條指令的執(zhí)行過程劃分為若干個(gè)階段，每一階 段完成一項(xiàng)工作。例如，取指令、存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫等，這每一項(xiàng)工作稱為一個(gè)基本操作。 完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間稱為機(jī)器周期。一般情況下，一個(gè)機(jī)器周期由若干個(gè) S周期（狀態(tài)周期）組成。8051系列單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期同6個(gè)S周期（狀態(tài)周期）組成。前面已說過一個(gè)時(shí)鐘周期定義為一個(gè)節(jié)拍（用 P表示），二個(gè)節(jié)拍定義為一個(gè)狀態(tài)周期（用 S 表示），8051單片機(jī)的機(jī)器周期由 6個(gè)狀態(tài)周期組成，也就是說一個(gè)機(jī)器周期=6個(gè)狀態(tài)周期=12個(gè)時(shí)鐘周期。參見后面的時(shí)序圖。指令周期指令周期是執(zhí)行一條指令所

7、需要的時(shí)間，一般由若干個(gè)機(jī)器周期組成。指令不同，所需的機(jī)器周期數(shù)也不同。對于一些簡單的的單字節(jié)指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即譯碼執(zhí)行，不再需要其它的機(jī)器周期。對于一些比較復(fù)雜的指令，例如轉(zhuǎn)移指令、乘法指令，則需要兩個(gè)或者兩個(gè)以上的機(jī)器周期。時(shí)鐘周期、機(jī)器周期、指令周期之間的關(guān)系圖如下。通常含一個(gè)機(jī)器周期的指令稱為單周期指令，包含兩個(gè)機(jī)器周期的指令稱為雙周期指令。MCS-51指令系統(tǒng)中，按它們的長度可分為單字節(jié)指令、雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令。執(zhí)行這 些指令需要的時(shí)間是不同的，也就是它們所需的機(jī)器周期是不同的，有下面幾種形式：-單字節(jié)指令單機(jī)器周期-單字節(jié)指令雙機(jī)器周期-雙字節(jié)指

8、令單機(jī)器周期-雙字節(jié)指令雙機(jī)器周期-三字節(jié)指令雙機(jī)器周期單字節(jié)指令四機(jī)器周期（如單字節(jié)的乘除法指令）F圖是MCS-51系列單片機(jī)的指令時(shí)序圖:振幀中 LnLnLnLnLnwururAnLnLnowurururLinLnLnLr上圖是單周期和雙周期取指及執(zhí)行時(shí)序，圖中的ALE脈沖是為了鎖存地址的選通信號(hào)，顯然，每出現(xiàn)一次該信號(hào)單片機(jī)即進(jìn)行一次讀指令操作。從時(shí)序圖中可看出，該信號(hào)是時(shí)鐘頻率6分頻后得到，在一個(gè)機(jī)器周期中，ALE信號(hào)兩次有效，第一次在 S1P2和S2P1期間，第二次在S4P2和S5P1期間。接下來我們分別對幾個(gè)典型的指令時(shí)序加以說明。單字節(jié)單周期指令：單字節(jié)單周期指令只進(jìn)行一次讀指令

9、操作，當(dāng)?shù)诙€(gè)ALE信號(hào)有效時(shí)，PC并不加1,那么讀出的還是原指令，屬于一次無效的讀操作。雙字節(jié)單周期指令：這類指令兩次的 ALE信號(hào)都是有效的，只是第一個(gè)ALE信號(hào)有效時(shí)讀的是操作碼，第二個(gè)ALE信號(hào)有效時(shí)讀的是操作數(shù)。單字節(jié)雙周期指令：兩個(gè)機(jī)器周期需進(jìn)行四讀指令操作，但只有一次讀操作是有效的，后三次的讀操作均為無效操作。單字節(jié)雙周期指令有一種特殊的情況，象MOV）這類指令，執(zhí)行這類指令時(shí)，先在ROM中讀取指令，然后對外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀或?qū)懖僮?，頭一個(gè)機(jī)器周期的第一次讀指令的操作碼 為有效，而第二次讀指令操作則為無效的。在第二個(gè)指令周期時(shí)，則訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， 這時(shí)，ALE信號(hào)對其操作無

10、影響，即不會(huì)再有讀指令操作動(dòng)作。上頁的時(shí)序圖中，我們只描述了指令的讀取狀態(tài)，而沒有畫出指令執(zhí)行時(shí)序，因?yàn)槊織l指令都包含了具體的操作數(shù)，而操作數(shù)類型種類繁多， 這里不便列出，有興趣的讀者可參閱有關(guān)書籍。外部程序存儲(chǔ)器（ROM讀時(shí)序I SI I S2 I S8 ! S4 j S3 | 36 I SI S2 S3 ：S4 iSS |s8 IALE|1廠11 1PSEH Ff；1 1 11rF2X _XXF0 000-旳引外都數(shù)據(jù)存儲(chǔ)盟讀時(shí)序右圖8051外部程序存儲(chǔ)器讀時(shí)序圖，從圖中可看出，P0 口提供低8位地址，P2 口提供高8位地址，S2結(jié)束前，P0 口上的低8位地址是有效的，之后出現(xiàn)在P0 口上

11、的就不再是低 8位的地址信號(hào)，而是指令數(shù)據(jù)信號(hào)，當(dāng)然地址信號(hào)與指令數(shù)據(jù)信號(hào)之間有一段緩沖的過度時(shí) 間，這就要求，在 S2其間必須把低8位的地址信號(hào)鎖存起來，這時(shí)是用ALE選通脈沖去控制鎖存器把低8位地址予以鎖存，而 P2 口只輸出地址信號(hào)，而沒有指令數(shù)據(jù)信號(hào)，整個(gè)機(jī) 器周期地址信號(hào)都是有效的，因而無需鎖存這一地址信號(hào)。從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令，必須有兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行控制，除了上述的ALE信號(hào)，還有一個(gè)PSEN（外部ROM讀選通脈沖），上圖顯然可看出， PSEN從 S3P1開始有效，直到將地址信號(hào) 送出和外部程序存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)讀入 CPU后方才失效。而又從 S4P2開始執(zhí)行第二個(gè)讀指令操 作。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）讀時(shí)序右圖8051外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀寫時(shí)序圖，從 ROM中讀取的需執(zhí)行的指令，而 CPU對外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)的訪問是對RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀或?qū)懖僮?，屬于指令的?zhí)行周期，值得一提的是，讀或?qū)?是兩個(gè)不同的機(jī)器周期，但他們的時(shí)序卻是相似的，我們只對RAM的讀時(shí)序進(jìn)行分析。上一個(gè)機(jī)器周期是取指階段，是從ROM中讀取指令數(shù)據(jù)，接著的下個(gè)周期才開始讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM中的內(nèi)容。在S4結(jié)束后，先把需讀取 RAM中的地