CPU工作时序|单片机原理与应用技术

CPU在执行指令时，把一条指令拆分成若干微小的基本操作。这些操作所对应的脉冲信号在时间上的次序称为CPU工作时序。51系列单片机的CPU时序由下面4种信号周期组成，见图1-5所示的单片机指令的取址/执行时序。

1.振荡周期

振荡脉冲的周期是时钟信号的基础。

2.状态周期

状态周期由两个振荡周期组成，又称时钟周期，用S表示，分为P1和P2两个节拍（或称两个相位），前半周期节拍P1有效。后半周期节拍P2有效。

3.机器周期

机器周期包含6个状态周期，共12个节拍，分别表示为S1P1、S1P2、…、S6P1、S6P2。机器周期是单片机最小的时间单位，若晶振频率为12MHz，则机器周期为1μs。

4.指令周期

执行一条指令所需要的时间，是单片机时序中最大的时间单位。不同的指令有不同的指令周期，绝大多数指令是单周期指令和双周期指令，而乘法、除法指令是4周期指令。若使用12MHz晶振，则指令最长的执行时间为4μs。

5.指令的取指/执行时序(https://www.xing528.com)

51系列单片机共有111条指令，分为单字节单机器周期指令、单字节双机器周期指令、双字节单机器周期指令、双字节双机器周期指令、三字节双机器周期指令和乘除法的单字节四机器周期指令。指令的取指/执行时序，以XTAL2端口的振荡信号和ALE端口的信号为参考，其中ALE信号在每个机器周期两次有效，第一次出现在S1P2和S2P1之间，第二次出现在S4P2和S5P1之间，有效宽度为一个状态周期S。图1-5展示了典型的单机器周期和双机器周期指令的取指/执行时序，指令的字节数、周期数由内部译码器识别。

图1-5 单片机指令的取址/执行时序

（1）单字节单周期指令 见图1-5a，单字节单周期指令于S1P2开始执行，操作码被读入指令寄存器，在同一机器周期的S4P2继续读入下一字节的操作码，由于是下一条指令，因此不予考虑，此时程序计数器PC值并不加1，在S6P2结束操作。

（2）双字节单周期指令 见图1-5b，双字节单周期指令于S1P2开始执行，操作码被读入指令寄存器，在同一机器周期的S4P2再读入第二字节，同时程序计数器PC的值加1，在S6P2结束操作。

（3）单字节双周期指令 见图1-5c，单字节双周期指令于S1P2开始执行，在两个机器周期内4次读取操作码，由于是单字节指令，因此后3次读操作均无效。

（4）单字节双周期指令（访问片外数据存储器） 见图1-5d，单字节双周期指令于S1P2开始执行，操作码被读入指令寄存器，在S4P2时再读入的操作码被废弃。在第一机器周期的S5开始时，单片机送出片外数据存储器的地址，随后读出或写入数据。在第二机器周期，单片机访问片外数据存储器，此时ALE不输出有效信号，也不进行取指操作。

在时序上算术和逻辑操作一般发生在节拍P1期间，内部寄存器之间的数据传输一般发生在节拍P2期间。