MCS-51單片機(jī)的指令時(shí)序

MCS-51單片機(jī)的指令時(shí)序時(shí)序是用定時(shí)單位來(lái)描述的，MCS-51的時(shí)序單位有四個(gè)，它們分別是節(jié)拍、狀態(tài)、機(jī)器周期和指令周期，接下來(lái)我們分別加以說(shuō)明。

·節(jié)拍與狀態(tài)：

我們把振蕩脈沖的周期定義為節(jié)拍（為方便描述，用P表示），振蕩脈沖經(jīng)過(guò)二分頻后即得到整個(gè)單片機(jī)工作系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)，把時(shí)鐘信號(hào)的周期定義為狀態(tài)（用S表示），這樣一個(gè)狀態(tài)就有兩個(gè)節(jié)拍，前半周期相應(yīng)的節(jié)拍我們定義為1(P1)，后半周期對(duì)應(yīng)的節(jié)拍定義為2(P2)。

·機(jī)器周期：

MCS-51有固定的機(jī)器周期，規(guī)定一個(gè)機(jī)器周期有6個(gè)狀態(tài)，分別表示為S1-S6，而一個(gè)狀態(tài)包含兩個(gè)節(jié)拍，那么一個(gè)機(jī)器周期就有12個(gè)節(jié)拍，我們可以記著S1P1、S1P2……S6P1、S6P2，一個(gè)機(jī)器周期共包含12個(gè)振蕩脈沖，即機(jī)器周期就是振蕩脈沖的12分頻，顯然，如果使用6MHz的時(shí)鐘頻率，一個(gè)機(jī)器周期就是2us，而如使用12MHz的時(shí)鐘頻率，一個(gè)機(jī)器周期就是1us。

·指令周期：

執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間稱(chēng)為指令周期，MCS-51的指令有單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)的，所以它們的指令周期不盡相同，也就是說(shuō)它們所需的機(jī)器周期不相同，可能包括一到四個(gè)不等的機(jī)器周期（這些內(nèi)容，我們將在下面的章節(jié)中加以說(shuō)明）。

·MCS-51的指令時(shí)序：

MCS-51指令系統(tǒng)中，按它們的長(zhǎng)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)

下圖是MCS-51系列單片機(jī)的指令時(shí)序圖：

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(lái)我們分別對(duì)幾個(gè)典型的指令時(shí)序加以說(shuō)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(wú)效的讀操作。

·雙字節(jié)單周期指令：

這類(lèi)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(wú)效操作。

單字節(jié)雙周期指令有一種特殊的情況，象MOVX這類(lèi)指令，執(zhí)行這類(lèi)指令時(shí)，先在ROM中讀取指令，然后對(duì)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(wú)效的。在第二個(gè)指令周期時(shí)，則訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這時(shí)，ALE信號(hào)對(duì)其操作無(wú)影響，即不會(huì)再有讀指令操作動(dòng)作。

上頁(yè)的時(shí)序圖中，我們只描述了指令的讀取狀態(tài)，而沒(méi)有畫(huà)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(lèi)型種類(lèi)繁多，這里不便列出，有興趣的讀者可參閱有關(guān)書(shū)籍。

·外部程序存儲(chǔ)器(ROM)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(guò)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(lái)，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(méi)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(wú)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(kāi)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(kāi)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(xiě)時(shí)序圖，從ROM中讀取的需執(zhí)行的指令，而CPU對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的訪問(wèn)是對(duì)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)懯莾蓚€(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(duì)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(kāi)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中的地址放到總線上，包括P0口上的低8位地址A0-A7和P2口上的高8位地址A8-A15。當(dāng)RD選通脈沖有效時(shí)，將RAM的數(shù)據(jù)通過(guò)P0數(shù)據(jù)總線讀進(jìn)CPU。第二個(gè)機(jī)器周期的ALE信號(hào)仍然出現(xiàn)，進(jìn)行一次外部ROM的讀操作，但是這一次的讀操作屬于無(wú)效操作。

對(duì)外部RAM進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，CPU輸出的則是WR（寫(xiě)選通信號(hào)），將數(shù)據(jù)通過(guò)P0數(shù)據(jù)總線寫(xiě)入外部存儲(chǔ)使用ALE信號(hào)作為低8位地址的鎖存控制信號(hào)。ALE接到外部鎖存器時(shí)，高電平期間，51的p0輸出地址，低電平時(shí)鎖存器將地址鎖存，在ALE低電平時(shí)，（PSEN為低）p0口可以傳輸數(shù)據(jù)（指令），這樣就可以地址/數(shù)據(jù)復(fù)用了。

以PSEN信號(hào)作為擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，在讀外部ROM是PSEN是低電平有效，以實(shí)現(xiàn)對(duì)ROM的讀操作。

以EA信號(hào)作為內(nèi)外程序存儲(chǔ)器的選擇控制信號(hào)，當(dāng)其為低電平時(shí),對(duì)ROM的讀操作限定在外部的程序存儲(chǔ)器,當(dāng)其為高電平時(shí),對(duì)ROM的讀操作是從內(nèi)部存儲(chǔ)器開(kāi)始的,并可延至外部程序存儲(chǔ)器.

由RD和WR信號(hào)作為擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O口的讀選通、寫(xiě)選通信號(hào)。

EA信號(hào)是表示是當(dāng)前指令是讀內(nèi)，還是外存儲(chǔ)器的控制信號(hào)。如：當(dāng)選用無(wú)片內(nèi)存儲(chǔ)器的單片機(jī)，或者不打算用片內(nèi)存儲(chǔ)器時(shí)，EA必須接低電平，此外，片外程序存儲(chǔ)器的起始地址應(yīng)該安排在片內(nèi)存儲(chǔ)器之后。

RD和WR信號(hào)就相對(duì)好理解，就是當(dāng)讀數(shù)據(jù)時(shí)（不分內(nèi)外、RAM、ROM）它就有效。WR也是這樣的。

80C51單片機(jī)指令的取指、執(zhí)行時(shí)序 現(xiàn)按4類(lèi)指令介紹CPU時(shí)序。因?yàn)镃PU工作的過(guò)程就是取指令與執(zhí)行指令的過(guò)程，所以CPU必須先取出指令，然后才能執(zhí)行指令。 1．雙字節(jié)單周期指令 由于雙字節(jié)單周期指令必須在一個(gè)周期內(nèi)取機(jī)器碼二次，所以必須在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)安排二次讀操作碼的操作，分別發(fā)生在S1P2與S4P2。在S1P2讀入機(jī)器碼74并送入指令寄存器IR，在S4P2讀入數(shù)據(jù)03送入累加器A，即讀2取2。在指令的執(zhí)行過(guò)程中，P0口要分時(shí)傳送地址與數(shù)據(jù)，因此當(dāng)操作碼的地址從P0口輸出后，必須發(fā)地址鎖存信號(hào)ALE給74LS373鎖存器，將地址鎖存在74LS373內(nèi)，騰出P0口讀入機(jī)器碼74。在取數(shù)據(jù)03時(shí)同樣要發(fā)ALE信號(hào)。因此，在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)地址鎖存信號(hào)二次有效，見(jiàn)80C51時(shí)序圖2-13。 2．單字節(jié)單周期指令 對(duì)單字節(jié)單周期指令，由于操作碼只有一個(gè)字節(jié)，因此第一次讀操作碼有效，而第二次讀的操作碼將被丟棄，即：讀1丟1，且程序計(jì)數(shù)器PC不加1。 3．單字節(jié)雙周期指令 對(duì)單字節(jié)雙周期指令，由于操作碼只有一個(gè)字節(jié)，而執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2個(gè)機(jī)器周期，因此除第1次讀操作碼有效外，其余三次讀的操作碼均被放棄，即：讀1丟3。 4．訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器指令MOVX 執(zhí)行訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器指令MOVX時(shí)，首先從程序存儲(chǔ)器中取出指令，然后從外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中取出數(shù)據(jù)，因此該指令執(zhí)行時(shí)序圖與前三類(lèi)指令不同。由于MOVX是單字節(jié)雙周期指令，所以在取指令階段（即第一個(gè)機(jī)器周期的S1P1到S4P2）是讀1丟1，而在執(zhí)行指令讀數(shù)據(jù)階段（即第一個(gè)機(jī)器周期的S5到第二個(gè)機(jī)器周期的S3）所完成的操作如下： （1）先將外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的地址ADDR由DPTR從P0與P2口輸出，即時(shí)序圖中的S5P1到S6P2階段。并在S4P2到S5P2階段，發(fā)ALE信號(hào)將地址鎖存。 （2）在第二個(gè)機(jī)器周期S1P2到S2P2內(nèi)取消ALE與程序選通信號(hào)PSEN（即取消取指操作），使P0口專(zhuān)門(mén)用于傳送數(shù)據(jù)。同時(shí)發(fā)讀信號(hào)，通過(guò)P0口將外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)傳送到累加器A中。即：時(shí)序圖的S6P2到S4P1階段。 （3）由于鎖存的地址為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的地址，所以在第二個(gè)機(jī)器周期S4取消取指令的操作，即：不再發(fā)程序選通信號(hào)PSEN

。 注：由于執(zhí)行MOVX指令時(shí)，在第二個(gè)機(jī)器周期中要少發(fā)一次ALE信號(hào)，所以ALE的頻率是不穩(wěn)定的。晶振電路—單片機(jī)的心臟2011-06-0312:59晶振電路的原理晶振是晶體振蕩器的簡(jiǎn)稱(chēng)，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?，在這個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個(gè)振蕩器的頻率也不會(huì)有很大的變化。

晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱(chēng)的諧振頻率。

一般的晶振振蕩電路都是在一個(gè)反相放大器（注意是放大器不是反相器）的兩端接入晶振，再有兩個(gè)電容分別接到晶振的兩端，每個(gè)電容的另一端再接到地，這兩個(gè)電容串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)載電容，請(qǐng)注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個(gè)不能忽略。

一般的晶振的負(fù)載電容為15p或12.5p，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個(gè)22p的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。晶體振蕩器也分為無(wú)源晶振和有源晶振兩種類(lèi)型。無(wú)源晶振與有源晶振（諧振）的英文名稱(chēng)不同，無(wú)源晶振為crystal（晶體），而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器）。無(wú)源晶振需要借助于時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)，自身無(wú)法振蕩起來(lái)，所以“無(wú)源晶振”這個(gè)說(shuō)法并不準(zhǔn)確；有源晶振是一個(gè)完整的諧振振蕩器。

諧振振蕩器包括石英（或其晶體材料）晶體諧振器，陶瓷諧振器，LC諧振器等。

晶振與諧振振蕩器有其共同的交集有源晶體諧振振蕩器。

石英晶片所以能做振蕩電路（諧振）是基于它的壓電效應(yīng)，從物理學(xué)中知道，若在晶片的兩個(gè)極板間加一電場(chǎng)，會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；反之，若在極板間施加機(jī)械力，又會(huì)在相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。如在極板間所加的是交變電壓，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng)，同時(shí)機(jī)械變形振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。一般來(lái)說(shuō)，這種機(jī)械振動(dòng)的振幅是比較小的，其振動(dòng)頻率則是很穩(wěn)定的。但當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率（決定于晶片的尺寸）相等時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電諧振，因此石英晶體又稱(chēng)為石英晶體諧振器。其特點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度很高。石英晶體振蕩器與石英晶體諧振器都是提供穩(wěn)定電路頻率的一種電子器件。石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)來(lái)起振，而石英晶體諧振器是利用石英晶體和內(nèi)置IC來(lái)共同作用來(lái)工作的。振蕩器直接應(yīng)用于電路中，諧振器工作時(shí)一般需要提供3.3V電壓來(lái)維持工作。振蕩器比諧振器多了一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)為：諧振電阻（RR），諧振器沒(méi)有電阻要求。RR的大小直接影響電路的性能，也是各商家競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)重要參數(shù)。概述

微控制器的時(shí)鐘源可以分為兩類(lèi)：基于機(jī)械諧振器件的時(shí)鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路；基于相移電路的時(shí)鐘源，如：RC(電阻、電容)振蕩器。硅振蕩器通常是完全集成的RC振蕩器，為了提高穩(wěn)定性，包含有時(shí)鐘源、匹配電阻和電容、溫度補(bǔ)償?shù)取D1給出了兩種時(shí)鐘源。圖1給出了兩個(gè)分立的振蕩器電路，其中圖1a為皮爾斯振蕩器配置，用于機(jī)械式諧振器件，如晶振和陶瓷諧振槽路。圖1b為簡(jiǎn)單的RC反饋振蕩器。<?xml:namespaceprefix=vns="urn:schemas-microsoft-com:vml"/>

<?xml:namespaceprefix=ons="urn:schemas-microsoft-com:office:office"/>圖1.簡(jiǎn)單時(shí)鐘源：(a)皮爾斯振蕩器(b)RC反饋振蕩器

機(jī)械式諧振器與RC振蕩器的主要區(qū)別基于晶振與陶瓷諧振槽路(機(jī)械式)的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數(shù)。相對(duì)而言，RC振蕩器能夠快速啟動(dòng)，成本也比較低，但通常在整個(gè)溫度和工作電源電壓范圍內(nèi)精度較差，會(huì)在標(biāo)稱(chēng)輸出頻率的5%至50%范圍內(nèi)變化。圖1所示的電路能產(chǎn)生可靠的時(shí)鐘信號(hào)，但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇以及振蕩器電路布局的影響。需認(rèn)真對(duì)待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。在使用時(shí)，陶瓷諧振槽路和相應(yīng)的負(fù)載電容必須根據(jù)特定