AT89S51的時鐘電路與時序

時鐘電路用于產(chǎn)生AT89S51單片機(jī)工作時所必需的控制信號。AT89S51單片機(jī)的內(nèi)部電路正是在時鐘信號的控制下，嚴(yán)格地按時序執(zhí)行指令進(jìn)行工作。

在執(zhí)行指令時，CPU首先到程序存儲器中取出需要執(zhí)行的指令操作碼，然后譯碼，并由時序電路產(chǎn)生一系列控制信號完成指令所規(guī)定的操作。CPU發(fā)出的時序信號有兩類，一類用于對片內(nèi)各個功能部件的控制，用戶無需了解;另一類用于對片外存儲器或I/O口的控制，這部分時序?qū)τ诜治?、設(shè)計硬件接口電路至關(guān)重要，這也是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計者普遍關(guān)心和重視的問題。

時鐘電路設(shè)計

AT89S51單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都以時鐘控制信號為基準(zhǔn)，有條不紊、一拍一拍地工作。

因此，時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種是外部時鐘方式。

1.內(nèi)部時鐘方式

AT89S51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，它的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體和微調(diào)電容，構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，圖2-13是AT89S51內(nèi)部時鐘方式的電路

。

電路中的電容C1和C2的典型值通常選擇為30 pF。該電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶體振蕩頻率的范圍通常是在1.2～12 MHz。晶體的頻率越高，系統(tǒng)的時鐘頻率越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。但反過來，運(yùn)行速度快對存儲器的速度要求就高，對印制電路板的工藝要求也高，即要求線間的寄生電容要小。晶體和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用溫度穩(wěn)定性能好的電容。

AT89S51常選擇振蕩頻率6 MHz或12 MHz的石英晶體。隨著集成電路制造工藝技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的時鐘頻率也在逐步提高，AT89S51和AT89S52芯片的時鐘最高頻率已達(dá)33MHz。

2.外部時鐘方式

外部時鐘方式使用現(xiàn)成的外部振蕩器產(chǎn)生脈沖信號，常用于多片AT89S51單片機(jī)同時工作，以便于多片AT89S51單片機(jī)之間的同步，一般為低于12 MHz的方波。

外部時鐘源直接接到XTAL1端，XTAL2端懸空，其電路如圖2-14所示

。

3.時鐘信號的輸出

當(dāng)使用片內(nèi)振蕩器時，XTAL1、XTAL2引腳還能為應(yīng)用系統(tǒng)中的其他芯片提供時鐘，但需增加驅(qū)動能力。其引出的方式有兩種，如圖2-15所示

。

機(jī)器周期、指令周期與指令時序

單片機(jī)執(zhí)行的指令均是在CPU控制器的時序控制電路的控制下進(jìn)行的，各種時序均與時鐘周期有關(guān)。

1.時鐘周期

時鐘周期是單片機(jī)時鐘控制信號的基本時間單位。若時鐘晶體的振蕩頻率為fosc，則時鐘周期Tosc= l/fosc如fosc=6 MHz，Tosc=166.7 ns。

2.機(jī)器周期

CPU完成一個基本操作所需要的時間稱為機(jī)器周期。單片機(jī)中常把執(zhí)行一條指令的過程分為幾個機(jī)器周期。每個機(jī)器周期完成一個基本操作，如取指令、讀或?qū)憯?shù)據(jù)等。AT89S51單片機(jī)的每12個時鐘周期為一個機(jī)器周期，即Tcy=12/fosc。若fosc=6 MHz，Tcy=2 μs; fosc=12 MHz，Tcy=1μs。

AT89S51的一個機(jī)器周期包括12個時鐘周期，分為6個狀態(tài)：Sl～S6。每個狀態(tài)又分為兩拍：Pl和P2。因此，一個機(jī)器周期中的12個時鐘周期表示為SIP1、SIP2、S2Pl、S2P2、…、S6P2，如圖2-16所示

。

3.指令周期

指令周期是執(zhí)行一條指令所需的時間。AT89S51單片機(jī)中指令按字節(jié)來分，可分為單字節(jié)、雙字節(jié)、三字節(jié)指令，因此執(zhí)行一條指令的時間也不同。對于簡單的單字節(jié)指令，取出指令立即執(zhí)行，只需一個機(jī)器周期的時間。而有些復(fù)雜的指令，如轉(zhuǎn)移、乘、除指令則需兩個或多個機(jī)器周期。

從指令的執(zhí)行時間看，單字節(jié)和雙字節(jié)指令一般為單機(jī)器周期和雙機(jī)器周期，三字節(jié)指令都是雙機(jī)器周期，只有乘、除指令占用4個機(jī)器周期。