基礎篇：關于單片機工作的基本時序介紹

時間：2023-01-05 12:20:01

關鍵字：單片機時序 CPU

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[導讀]時序就是 CPU 總線信號在時間上的順序關系。CPU 的控制器實質(zhì)上是一個復雜的同步時序電路，所有工作都是在時鐘信號控制下進行的。每執(zhí)行一條指令，CPU 的控制器都要發(fā)出一系列特定的控制信號，這些控制信號在時間上的相互關系就是 CPU 的時序。

時序就是 CPU 總線信號在時間上的順序關系。CPU 的控制器實質(zhì)上是一個復雜的同步時序電路，所有工作都是在時鐘信號控制下進行的。每執(zhí)行一條指令，CPU 的控制器都要發(fā)出一系列特定的控制信號，這些控制信號在時間上的相互關系就是 CPU 的時序。

CPU 發(fā)出的時序控制信號有兩大類。一類是用于單片機內(nèi)部協(xié)調(diào)控制的，但對用戶來說，并不直接接觸這些信號，可不必了解太多。另一類時序信號是通過單片機控制總線送到片外，形成對片外的各種 I/O 接口、RAM 和 EPROM 等芯片工作的協(xié)調(diào)控制，對于這部分時序信號用戶應該關心。

1.機器周期和指令周期

下面先介紹幾個時序概念：

(1) 振蕩周期：也稱時鐘周期，是指為單片機提供時鐘脈沖信號的振蕩源的周期。

(2) 狀態(tài)周期：每個狀態(tài)周期為時鐘周期的 2 倍，是振蕩周期經(jīng)二分頻后得到的。

(3) 機器周期：一個機器周期包含 6 個狀態(tài)周期 S1~S6 ，也就是 12 個時鐘周期。在一個機器周期內(nèi)，CPU 可以完成一個獨立的操作。

(4) 指令周期：它是指 CPU 完成一條操作所需的全部時間。每條指令執(zhí)行時間都是由一個或幾個機器周期組成的。MCS 51 系統(tǒng)中，有單周期指令、雙周期指令和四周期指令。

2.MCS 51 指令的取指/執(zhí)行時序

MCS 51 單片機取指/執(zhí)行時序如圖 2.7 所示，每條指令的執(zhí)行都包括取指和執(zhí)行兩個階段。在取指階段，CPU 從內(nèi)部或外部 ROM 中取出指令操作碼及操作數(shù)，然后再執(zhí)行這條指令。通常，在每個機器周期內(nèi) ALE 信號出現(xiàn)兩次，時刻為 S1P2 和 S4P2 ，信號的有效寬度為一個 S 狀態(tài)。每出現(xiàn)一次 ALE 信號，CPU 就依次進行取指操作，但并不是每條指令在 ALE 生效時都能有效地讀取指令。如果是單個指令，在 S4 期間仍有讀操作，但讀出的字節(jié)被丟棄，且讀后的 PC 值不加 1 。如果是雙周期指令，則在 S4P2 期間讀第二字節(jié)，在 S6P2 時結束指令。

圖 2.7(a)、(b) 分別為單字節(jié)單周期指令和雙字節(jié)單周期指令的時序。

圖 2.7(c) 為單字節(jié)雙周期指令的時序，它在兩個機器周期內(nèi)發(fā)生 4 次讀操作，后 3 次讀操作是無效的。

圖 2.7(d) 為指令 MOVX 操作時序，它是一條單字節(jié)雙周期指令。第一機器周期 S5 開始時，送出外部數(shù)據(jù)存儲器的地址，隨后讀或?qū)憯?shù)據(jù)。讀寫期間在 ALE 端不輸出有效信號，在第二機器周期，即外部數(shù)據(jù)存儲器已被尋址和選通后，也不產(chǎn)生取指操作。

當 CPU 對外部數(shù)據(jù)存儲器 RAM 讀寫時，ALE 不是周期信號。

3. 訪問外部 ROM 和 RAM 的時序

如果指令是從外部 ROM 中讀取，除了 ALE 信號之外，控制信號還有PSEN 。此外，還要用到 P0 和 P2 口，P0 口分時用做低 8 位地址和數(shù)據(jù)總線，P2 口用做高 8 位地址總線。相應的時序圖如圖 2.8 所示。