单片机指令时序及应用原理

任何一条指令的执行都分为取指令和执行指令阶段。在取指令阶段，根据程序计数器PC中指示的地址，从程序存储器ROM中取出需要执行指令的操作码和操作数。在指令执行阶段，对指令操作码进行译码，产生一系列控制信号以完成指令的执行。

1.单周期指令的时序

单周期指令可分为单周期单字节指令和单周期双字节指令。它们的时序如图2-20所示。

图2-20　单周期指令的时序

（1）单字节单周期指令（如：INC A），单字节指令的读取开始于S1P2，接着锁存于指令寄存器IR内并开始执行。当第二个ALE有效时，在S4虽仍有读操作，由于CPU封锁住程序计数器PC，使其不增量，因而第二次读操作无效，指令在S6P2时执行完成。

（2）双字节单周期指令（如：ADD A，#data），此时对应ALE的两次读操作都有效，在机器周期的S1P2读第一字节（操作码），CPU对其译码后便知道是双字节指令，即使程序计数器PC加1，并在ALE第二次有效时的S4P2期间读第二字节（操作数），在S6P2结束时完成操作。

2.单字节双周期指令的时序

单字节双周期指令（如：INC DPTR）的时序如图2-21所示。两个机器周期内共进行了4次读操作码操作。由于是单字节指令，CPU自动封锁后面的读操作，故后3次读操作无效，并在第二机器周期的S6P2时完成指令的执行。

图2-21　单字节双周期指令的时序(www.xing528.com)

上面的时序图中还标示了地址锁存允许信号ALE的波形。由图可见，在片外存储器不作存取时，每一个机器周期中ALE信号有效两次，具有稳定的频率。所以，ALE信号是时钟振荡频率的1/6，可以用作外部设备的时钟信号。

3.片外存储器访问指令时序

单片机有两类访问片外存储器的专门指令，一类是读片外ROM指令，另一类是读写片外RAM指令。执行这两类指令的时序与P0～P2、ALE、等信号有关。

（1）片外ROM进行读操作的时序（执行非MOVX指令的时序）。片外ROM进行读操作的时序如图2-22所示。P0口作为地址/数据复用的双向总线，用于输入指令或输出程序存储器的低8位地址PCL（即PC0～7）。P2口专门用于输出程序存储器的高8位地址PCH（即PC8～15）。P0口分时复用，故首先要将P0口输出的低8位地址PCL锁存在锁存器中，然后P0口再作为数据口。在每个机器周期中，允许地址锁存两次有效，ALE在下降沿时，将P0口的低8位地址PCL锁存在锁存器中。

图2-22　访问片外RAM的双周期指令的时序

（2）外部数据存储器读写时序（执行MOVX指令的时序）。在指令取指令阶段，P2口输出的地址PCH与P0的地址PCL指向程序存储器ROM，并取出指令并分析；在指令执行阶段，判定出指令是MOVX指令后，ALE在该机器周期S5状态锁存的是P0口发出的片外RAM或I/O低8位地址。若执行的是“MOVX A，@DPTR”或“MOVX@DPTR，A”指令，则此地址就是DPL（数据指针低8位）；同时在P2口上出现的是DPH（数据指针的高8位）。若执行的是“MOVX A，@Ri”或“MOVX@Ri，A”指令，则Ri的内容为低8位地址，而P2口线上将是P2口锁存器的内容。在同一机器周期中将不再出现有效取指信号，下一个机器周期中ALE的有效锁存信号也不再出现；当有效时，P0口将读/写数据存储器中的数据。

由图2-22可见，将ALE用作定时脉冲输出时，执行一次MOVX指令就会丢失一个ALE脉冲；只有在执行MOVX指令时的第二个机器周期中，才对数据存储器（或I/O）读/写，地址总线才由数据存储器使用。同时，在每个机器周期中一次有效，用于选通片外程序存储器，将指令读入片内。

应注意的是，在对片外RAM进行读/写时，ALE信号会出现非周期现象。在第二机器周期无读操作码的操作，而是进行外部数据存储器的寻址和数据选通，所以在S1P2～S2P1间无ALE信号。因此，只有当系统无片外RAM（或I/O）时，此ALE信号以振荡器频率的1/6出现在引脚上，它可用作外部时钟或定时脉冲信号。