MCS-51系列单片机时序-单片机原理与应用实例

单片机CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序称之为时序。由时钟脉冲振动CPU时序电路产生控制信号序列。

1.名词解释

定量各时序信号的尺度有：时钟周期、机器周期、指令周期。

（1）时钟周期T定义为时钟脉冲频率的倒数，又称为振荡周期。

1）MCS-51系列单片机振荡电路OSC产生的时钟频率为12MHz时，时钟周期T为1/12μs。

2）时钟周期T是计算机的基本工作脉冲，是时序中最小的时间单位。

（2）机器周期 定义为实现特定功能所需的时间。由图2-13中可见。

1）MCS-51系列单片机的机器周期固定为12个时钟周期T组成。

2）每个机器周期分为6个状态：S1～S6。

3）每个状态分为2拍：P1、P2。

4）每个机器周期中的12个时钟周期可表示为S1P1、S1P2、S2P1、……、S6P2。

（3）指令周期 定义为执行一条指令所需的时间。

1）指令周期是时序中最大的时间单位，可包含1～4个机器周期。

2）可按机器周期对指令分类，有：单周期指令、双周期指令、四周期指令。MCS-51系列单片机的绝大部分指令是单周期指令或双周期指令，只有乘法和除法指令是四周期指令。

由上面的定义可知，若f_osc=12MHz，则振荡周期为1/12μs，一个机器周期为1μs。若执行某条指令需要一个机器周期，则该指令的执行时间是1μs。

f_osc不同，虽然执行同一条指令所需的机器周期数一样，但执行时间是不同的。当f_osc=6MHz时，执行该单机器周期指令需要2μs的时间。

MCS-51系列单片机指令的时序如图2-13所示。从图中可以看出，ALE信号在一个机器周期出现两个脉冲，ALE的频率是f_osc/6，经过分频后可作为其他电路的时钟信号（例如作为ADC的时钟）。但应注意，执行MOVX类指令时会扣除一个脉冲。

2.MCS-51系列单片机指令的时序

指令执行分两阶段：取指令阶段和执行指令阶段。(www.xing528.com)

（1）取指令阶段

每个机器周期出现两次ALE高电平信号（S1P2—S2P1、S4P2—S5P1），此时CPU可进行取指令操作。

（2）执行指令阶段 经译码操作，产生相应的控制信号。

按指令字节数和机器周期数，MCS-51系列单片机的111条指令可分为六类：单字节单周期指令、单字节双周期指令、单字节四周期指令、双字节单周期指令、双字节双周期指令、三字节双周期指令，其中几类的时序关系如下。

（1）单字节单周期指令 如“INC A”（机器码为04H）。

1）S1P2期间，在ALE配合下，根据PC指定的ROM位置读出机器码04H。

2）S4P2期间，在ALE配合下，根据PC+1指定的ROM位置读出下一个机器码××H。

3）S5S6期间，对机器码04H进行判断，确定是单字节指令，所以把下一个机器码××H舍弃，同时修正PC指针指向××H所处的单元，并且把要执行的指令锁存到指令寄存器中，指令译码，执行指令，在下一个机器周期开始前执行指令完毕。

（2）双字节单周期指令 如“ADD A，#16H”（机器码为2416H）。

1）S1P2期间，在ALE配合下，根据PC指定的ROM位置读出机器码24H。

2）S4P2期间，在ALE配合下，根据PC+1指定的ROM位置读出下一个机器码16H。

图2-13 MCS-51系列单片机指令的时序

a）单字节单周期指令 b）双字节单周期指令 c）单字节双周期指令

3）S5S6期间，对机器码24H进行判断，确定是双字节指令，所以把下一个机器码16H作为操作数，同时修正PC指针指向存放16H单元的下一个单元位置，并且把要执行的指令锁存到指令寄存器中，指令译码，执行指令，在下一个机器周期开始前执行指令完毕。

（3）单字节双周期指令 如“INC DPTR”（机器码0A3H）。

ALE的一次有效识读机器码，此后执行到第二周期末S6P2。