《单片机时钟和时序|单片机综合设计实用教程》

时序是指各控制信号在时间上的相互联系与先后次序。控制器按照指令的功能发出一系列的时间上有一定次序的信号，控制和启动一部分逻辑电路，完成某种操作。在什么时刻发出什么控制信号，去启动何种部件动作，都有严格的规定。

单片机的时序信号是以单片机内部时钟电路产生的时钟周期或外部时钟电路送入的时钟周期为基础形成的。单片机的时钟电路分为内部时钟电路和外部时钟电路两种。

1.内部时钟电路

在单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2；而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶振和电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是常用的单片机时钟电路，如图2-3所示。

时钟电路产生的振荡脉冲，经过触发器进行二分频之后才能为单片机的时钟脉冲信号。电容C1和C2的典型值为30pF，晶振的振荡频率范围是1.2～24MHz。晶振振荡频率愈高，则系统的时钟频率也高，单片机运算速度也就快；但反过来，运行速度快，对存储器的速度要求就高，对PCB的工艺要求也高。51系列单片机在通常应用情况下，使用振荡频率为6MHz或12MHz的晶振。

2.外部时钟电路

在由多片单片机组成的系统中，为了使各单片机之间的时钟信号同步，可以引入唯一的公用外部脉冲作为系统中各单片机的振荡脉冲，这时外部脉冲信号是从引脚XTAL1引入，引脚XTAL2悬空，如图2-4所示。

图2-3 内部时钟电路

图2-4 外部时钟电路(www.xing528.com)

时序是用定时单位来说明的，51系列单片机的时序定时单位共有4个，从小到大依次是节拍、状态、机器周期和指令周期，其关系如图2-5所示。

1.节拍与状态

振荡脉冲的周期叫做节拍，用P表示。振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号，把时钟信号的周期定义为状态，用S表示。这样，一个状态就包括两个节拍，其前半周期对应的节拍叫节拍1（P1），后半周期对应的节拍叫节拍2（P2）。

图2-5 51系列单片机时序关系示意图

2.机器周期

51系列单片机采用定时控制方式，因此它有固定的机器周期。51系列单片机的一个机器周期的宽度为6个状态，并依次表示为S1～S6，由于1个状态又包括两个节拍，因此一个机器周期总共有12个节拍，分别记作S1P1、S1P2～S6P1、S6P2。由于1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，1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，执行一条指令需要的时间称为指令周期。根据指令的不同，51系列单片机的指令周期可以包含有1、2和4个机器周期。当然，1个机器周期的指令执行得最快。51系列单片机指令系统中，单机器周期指令有64条，双机器周期指令有45条，四机器周期指令只有2条（乘法和除法指令），无三机器周期指令。