MCS-51单片机时钟信号的原理与应用

CPU的时序是指CPU在执行指令过程中，CPU的控制器所发出的一系列特定的控制信号在时间上的相互关系。时序是用定时单位来说明的。常用的时序定时单位有：振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期，它们的内部结构及相互关系如图2-18所示。

图2-18　4种周期的内部结构及相互关系

1.振荡周期（节拍）

MCS-51单片机内晶体振荡器的振荡周期（或外部引入时钟信号的周期），是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期，是最小的时序单位。所以，片内的各种微操作都以晶振周期为时序基准。它也是单片机所能分辨的最小时间单位。

2.时钟周期（状态周期）

MCS-51单片机的时钟信号如图2-18所示。晶振频率经分频器2分频后形成两相错开的时钟信号P1和P2。时钟信号的周期称为时钟周期，也称为机器状态周期，它是振荡周期的2倍，是振荡周期经2分频后得到的。即一个时钟周期包含两个振荡周期。在每个时钟周期的前半周期，相位1（P1）信号有效，在每个时钟周期的后半周期，相位2（P2）信号有效。每个时钟周期（常称状态S）有两个节拍（相）P1和P2，CPU就是以两相时钟P1和P2为基本节拍指挥MCS-51单片机的各个部件协调工作的。

时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行2分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。请读者特别注意时钟脉冲与振荡脉冲之间的2分频关系，否则会造成概念上的错误。

3.机器周期

在计算机中，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一个阶段完成一项工作，例如：取指令、存储器读、存储器写等，这每一项工作称为一个基本操作。CPU完成一种基本操作所需要的时间称为机器周期（也称M周期）。一个机器周期由12个振荡周期或6个状态周期构成，在一个机器周期内，CPU可以完成一个独立的操作。由于每个状态S有两个节拍P1和P2，因此，每个机器周期的12个振荡周期可以表示为S1P1，S1P2，S2P1，S2P2，…，S6P2。

4.指令周期

CPU执行一条指令所需要的时间称作指令周期。它一般由若干个机器周期组成，不同的指令所需的机器周期数也不同。MCS-51单片机的指令按执行时间可以分为3类：单周期指令、双周期指令和四周期指令。四周期指令只有乘、除法两条指令。(www.xing528.com)

从指令执行时间看，单字节和双字节指令一般为单机器周期和双机器周期，三字节指令都是双机器周期，乘、除指令占用四个机器周期。对于一些简单的单字节指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器IR后，立即译码执行，不再需要其他的机器周期，只需一个机器周期（单机器周期）；而对于一些复杂指令，如转移指令、乘除指令，则需要两个或四个的机器周期。

晶振周期（节拍）、时钟周期（状态）、机器周期和指令周期均是单片机的时序单位。它们之间的关系可用图2-19来描述。

图2-19　节拍、状态、机器周期、指令周期之间的关系

晶振周期和机器周期是单片机内计算其他时间值（如波特率、定时器的定时时间等）的基本时序单位。例如，若外接晶振频率为f osc=12MHz，则4个基本周期的具体数值为：

振荡周期=1/12μs=0.0833μs；

时钟周期=1/6μs=0.167μs；

机器周期=1μs；

指令周期=1μs、2μs和4μs。

由此，可用于计算指令、程序的执行时间以及定时器的定时时间。