51單片機(jī)時(shí)序及延時(shí)分析介紹

計(jì)算機(jī)工作時(shí)，是在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖控制下一拍一拍地進(jìn)行的。這個(gè)脈沖是由單片機(jī)控制器中的時(shí)序電路發(fā)出的。單片機(jī)的時(shí)序就是CPU在執(zhí)行指令時(shí)所需控制信號(hào)的時(shí)間順序，為了保證各部件間的同步工作，單片機(jī)內(nèi)部電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)下嚴(yán)格地控時(shí)序進(jìn)行工作，在學(xué)習(xí)51單片機(jī)的時(shí)序之前，我們先來(lái)了解下時(shí)序相關(guān)的一些概念。
既然計(jì)算機(jī)是在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖控制下工作的，那么，它的時(shí)鐘脈沖是怎么來(lái)的呢？
要給我們的計(jì)算機(jī)CPU提供時(shí)序，就需要相關(guān)的硬件電路，即振蕩器和時(shí)鐘電路。我們學(xué)習(xí)的8051單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，這個(gè)反相放大器的作用就是用于構(gòu)成振蕩器用的，但要形成時(shí)鐘，外部還需要加一些附加電路。8051單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生有以下兩種方法：
一、內(nèi)部時(shí)鐘方式：
利用單片機(jī)內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳XTAL1（18腳）和XTAL2（19腳）兩端接晶振，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘電路，外接晶振時(shí)，晶振兩端的電容一般選擇為30PF左右；這兩個(gè)電容對(duì)頻率有微調(diào)的作用，晶振的頻率范圍可在1.2MHz-12MHz之間選擇。為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近。（提示一下，本站提供的學(xué)習(xí)套件全部采用的就是這種時(shí)鐘方式）。
二、外部時(shí)鐘方式：
此方式是利用外部振蕩脈沖接入XTAL1或XTAL2。HMOS和CHMOS單片機(jī)外時(shí)鐘信號(hào)接入方式不同，HMOS型單片機(jī)（例如8051）外時(shí)鐘信號(hào)由XTAL2端腳注入后直接送至內(nèi)部時(shí)鐘電路，輸入端XTAL1應(yīng)接地。由于XTAL2端的邏輯電平不是TTL的，故建議外接一個(gè)上接電阻。對(duì)于CHMOS型的單片機(jī)（例如 80C51），因內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的信號(hào)取自反相器的輸入端，故采用外部時(shí)鐘源時(shí)，接線方式為外時(shí)鐘信號(hào)接到XTAL1而XTAL2懸空。如下圖


外接時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)一個(gè)二分頻的觸發(fā)器而成為內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)，要求高、低電平的持續(xù)時(shí)間都大于20ns，一般為頻率低于12MHz的方波。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器就是上述的二分頻觸發(fā)器，它向芯片提供了一個(gè)2節(jié)拍的時(shí)鐘信號(hào)。
前面已提到，計(jì)算機(jī)工作時(shí)，是在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖控制下一拍一拍地進(jìn)行的。由于指令的字節(jié)數(shù)不同，取這些指令所需要的時(shí)間也就不同，即使是字節(jié)數(shù)相同的指令，由于執(zhí)行操作有較大的差別，不同的指令執(zhí)行時(shí)間也不一定相同，即所需的拍節(jié)數(shù)不同。為了便于對(duì)CPU時(shí)序進(jìn)行分析，一般按指令的執(zhí)行過(guò)程規(guī)定了幾中周期，即時(shí)鐘周期、機(jī)器周期和指令周期，也稱(chēng)為時(shí)序定時(shí)單位，下面分別予以講解。
時(shí)鐘周期
時(shí)鐘周期也稱(chēng)為振蕩周期，定義為時(shí)鐘脈沖的倒數(shù)（可以這樣來(lái)理解，時(shí)鐘周期就是單片機(jī)外接晶振的倒數(shù)，例如12M的晶振，它的時(shí)間周期就是1/12 us），是計(jì)算機(jī)中最基本的、最小的時(shí)間單位。
在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，CPU僅完成一個(gè)最基本的動(dòng)作。對(duì)于某種單片機(jī)，若采用了1MHZ的時(shí)鐘頻率，則時(shí)鐘周期為1us；若采用4MHZ的時(shí)鐘頻率，則時(shí)鐘周期為250us。由于時(shí)鐘脈沖是計(jì)算機(jī)的基本工作脈沖，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏（使計(jì)算機(jī)的每一步都統(tǒng)一到它的步調(diào)上來(lái)）。顯然，對(duì)同一種機(jī)型的計(jì)算機(jī)，時(shí)鐘頻率越高，計(jì)算機(jī)的工作速度就越快。但是，由于不同的計(jì)算機(jī)硬件電路和器件的不完全相同，所以其所需要的時(shí)鐘周頻率范圍也不一定相同。我們學(xué)習(xí)的8051單片機(jī)的時(shí)鐘范圍是1.2MHz-12MHz。
在8051單片機(jī)中把一個(gè)時(shí)鐘周期定義為一個(gè)節(jié)拍（用P表示），二個(gè)節(jié)拍定義為一個(gè)狀態(tài)周期（用S表示）。請(qǐng)大家參考后面的時(shí)序圖。
機(jī)器周期
在計(jì)算機(jī)中，為了便于管理，常把一條指令的執(zhí)行過(guò)程劃分為若干個(gè)階段，每一階段完成一項(xiàng)工作。例如，取指令、存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫(xiě)等，這每一項(xiàng)工作稱(chēng)為一個(gè)基本操作。完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間稱(chēng)為機(jī)器周期。一般情況下，一個(gè)機(jī)器周期由若干個(gè)S周期（狀態(tài)周期）組成。8051系列單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期同6個(gè)S周期（狀態(tài)周期）組成。前面已說(shuō)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期定義為一個(gè)節(jié)拍（用P表示），二個(gè)節(jié)拍定義為一個(gè)狀態(tài)周期（用S表示），8051單片機(jī)的機(jī)器周期由6個(gè)狀態(tài)周期組成，也就是說(shuō)一個(gè)機(jī)器周期=6個(gè)狀態(tài)周期=12個(gè)時(shí)鐘周期。參見(jiàn)后面的時(shí)序圖。
指令周期
指令周期是執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，一般由若干個(gè)機(jī)器周期組成。指令不同，所需的機(jī)器周期數(shù)也不同。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的的單字節(jié)指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即譯碼執(zhí)行，不再需要其它的機(jī)器周期。對(duì)于一些比較復(fù)雜的指令，例如轉(zhuǎn)移指令、乘法指令，則需要兩個(gè)或者兩個(gè)以上的機(jī)器周期。
時(shí)鐘周期、機(jī)器周期、指令周期之間的關(guān)系圖如下。



通常含一個(gè)機(jī)器周期的指令稱(chēng)為單周期指令，包含兩個(gè)機(jī)器周期的指令稱(chēng)為雙周期指令。
MCS-51指令系統(tǒng)中，按它們的長(zhǎng)度可分為單字節(jié)指令、雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令。執(zhí)行這些指令需要的時(shí)間是不同的，也就是它們所需的機(jī)器周期是不同的，有下面幾種形式：
·單字節(jié)指令單機(jī)器周期
·單字節(jié)指令雙機(jī)器周期
·雙字節(jié)指令單機(jī)器周期
·雙字節(jié)指令雙機(jī)器周期
·三字節(jié)指令雙機(jī)器周期
·單字節(jié)指令四機(jī)器周期(如單字節(jié)的乘除法指令)
下圖是MCS-51系列單片機(jī)的指令時(shí)序圖：





上圖是單周期和雙周期取指及執(zhí)行時(shí)序，圖中的ALE脈沖是為了鎖存地址的選通信號(hào)，顯然，每出現(xiàn)一次該信號(hào)單片機(jī)即進(jìn)行一次讀指令操作。從時(shí)序圖中可看出，該信號(hào)是時(shí)鐘頻率6分頻后得到，在一個(gè)機(jī)器周期中，ALE信號(hào)兩次有效，第一次在S1P2和S2P1期間，第二次在S4P2和S5P1期間。
接下來(lái)我們分別對(duì)幾個(gè)典型的指令時(shí)序加以說(shuō)明。
·單字節(jié)單周期指令：
單字節(jié)單周期指令只進(jìn)行一次讀指令操作，當(dāng)?shù)诙€(gè)ALE信號(hào)有效時(shí)，PC并不加1，那么讀出的還是原指令，屬于一次無(wú)效的讀操作。
·雙字節(jié)單周期指令：
這類(lèi)指令兩次的ALE信號(hào)都是有效的，只是第一個(gè)ALE信號(hào)有效時(shí)讀的是操作碼，第二個(gè)ALE信號(hào)有效時(shí)讀的是操作數(shù)。
·單字節(jié)雙周期指令：
兩個(gè)機(jī)器周期需進(jìn)行四讀指令操作，但只有一次讀操作是有效的，后三次的讀操作均為無(wú)效操作。
單字節(jié)雙周期指令有一種特殊的情況，象MOVX這類(lèi)指令，執(zhí)行這類(lèi)指令時(shí)，先在ROM中讀取指令，然后對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀或?qū)懖僮?，頭一個(gè)機(jī)器周期的第一次讀指令的操作碼為有效，而第二次讀指令操作則為無(wú)效的。在第二個(gè)指令周期時(shí)，則訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這時(shí)，ALE信號(hào)對(duì)其操作無(wú)影響，即不會(huì)再有讀指令操作動(dòng)作。
上頁(yè)的時(shí)序圖中，我們只描述了指令的讀取狀態(tài)，而沒(méi)有畫(huà)出指令執(zhí)行時(shí)序，因?yàn)槊織l指令都包含了具體的操作數(shù)，而操作數(shù)類(lèi)型種類(lèi)繁多，這里不便列出，有興趣的讀者可參閱有關(guān)書(shū)籍。
·外部程序存儲(chǔ)器(ROM)讀時(shí)序


右圖8051外部程序存儲(chǔ)器讀時(shí)序圖，從圖中可看出，P0口提供低8位地址，P2口提供高8位地址，S2結(jié)束前，P0口上的低8位地址是有效的，之后出現(xiàn)在P0口上的就不再是低8位的地址信號(hào)，而是指令數(shù)據(jù)信號(hào)，當(dāng)然地址信號(hào)與指令數(shù)據(jù)信號(hào)之間有一段緩沖的過(guò)度時(shí)間，這就要求，在S2其間必須把低8位的地址信號(hào)鎖存起來(lái)，這時(shí)是用ALE選通脈沖去控制鎖存器把低8位地址予以鎖存，而P2口只輸出地址信號(hào)，而沒(méi)有指令數(shù)據(jù)信號(hào)，整個(gè)機(jī)器周期地址信號(hào)都是有效的，因而無(wú)需鎖存這一地址信號(hào)。
從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令，必須有兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行控制，除了上述的ALE信號(hào)，還有一個(gè)PSEN（外部ROM讀選通脈沖），上圖顯然可看出，PSEN從S3P1開(kāi)始有效，直到將地址信號(hào)送出和外部程序存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)讀入CPU后方才失效。而又從S4P2開(kāi)始執(zhí)行第二個(gè)讀指令操作。
·外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)讀時(shí)序
右圖8051外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀寫(xiě)時(shí)序圖，從ROM中讀取的需執(zhí)行的指令，而CPU對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的訪問(wèn)是對(duì)RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀或?qū)懖僮鳎瑢儆谥噶畹膱?zhí)行周期，值得一提的是，讀或?qū)懯莾蓚€(gè)不同的機(jī)器周期，但他們的時(shí)序卻是相似的，我們只對(duì)RAM的讀時(shí)序進(jìn)行分析。
上一個(gè)機(jī)器周期是取指階段，是從ROM中讀取指令數(shù)據(jù)，接著的下個(gè)周期才開(kāi)始讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM中的內(nèi)容。
在S4結(jié)束后，先把需讀取RAM中的地址放到總線上，包括P0口上的低8位地址A0-A7和P2口上的高8位地址A8-A15。當(dāng)RD選通脈沖有效時(shí)，將RAM的數(shù)據(jù)通過(guò)P0數(shù)據(jù)總線讀進(jìn)CPU。第二個(gè)機(jī)器周期的ALE信號(hào)仍然出現(xiàn)，進(jìn)行一次外部ROM的讀操作，但是這一次的讀操作屬于無(wú)效操作。
對(duì)外部RAM進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，CPU輸出的則是WR（寫(xiě)選通信號(hào)），將數(shù)據(jù)通過(guò)P0數(shù)據(jù)總線寫(xiě)入外部存儲(chǔ)中。