單片機(jī)中各種周期的關(guān)系與定時(shí)器原理

我們現(xiàn)來(lái)理解幾個(gè)比較重要的概念：

時(shí)鐘周期：

時(shí)鐘周期也叫振蕩周期或晶振周期，即晶振的單位時(shí)間發(fā)出的脈沖數(shù)，一般有外部的振晶產(chǎn)生，比如12MHZ=12×10的6次方，即每秒發(fā)出12000000個(gè)脈沖信號(hào)，那么發(fā)出一個(gè)脈沖的時(shí)間就是時(shí)鐘周期，也就是1/12微秒。通常也叫做系統(tǒng)時(shí)鐘周期。是計(jì)算機(jī)中最基本的、最小的時(shí)間單位。

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)。

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。

在標(biāo)準(zhǔn)的51單片機(jī)中，一般情況下，一個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)時(shí)鐘周期，也就是機(jī)器周期=12*時(shí)鐘周期，(上面講到的原因)如果是12MHZ，那么機(jī)器周期=1微秒。單片機(jī)工作時(shí)，是一條一條地從RoM中取指令，然后一步一步地執(zhí)行。單片機(jī)訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器的時(shí)間，稱之為一個(gè)機(jī)器周期，這是一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。

機(jī)器周期不僅對(duì)于指令執(zhí)行有著重要的意義，而且機(jī)器周期也是單片機(jī)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的時(shí)間基準(zhǔn)。例如一個(gè)單片機(jī)選擇了12MHZ晶振，那么當(dāng)定時(shí)器的數(shù)值加1時(shí)，實(shí)際經(jīng)過(guò)的時(shí)間就是1us，這就是單片機(jī)的定時(shí)原理。

但是在8051F310中，CIP-51 微控制器內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的 8051 結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 8051 中，除 MUL和 DIV以外所有指令都需要 12 或 24 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為 12-24MHz。而對(duì)于 CIP-51 內(nèi)核，70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為 1或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有 4 條指令的執(zhí)行時(shí)間大于 4 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。 所以在計(jì)算定時(shí)器的值時(shí)要注意這里的變化。

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。

系統(tǒng)時(shí)鐘：

系統(tǒng)時(shí)鐘：系統(tǒng)時(shí)鐘就是CPU指令運(yùn)行的頻率，這個(gè)才是CPU真正的頻率。

單片機(jī)內(nèi)部所有工作，都是基于由晶振產(chǎn)生的同一個(gè)觸發(fā)信號(hào)源，由這個(gè)信號(hào)來(lái)同步協(xié)調(diào)工作步驟，我們把這個(gè)信號(hào)稱為系統(tǒng)時(shí)鐘，系統(tǒng)時(shí)鐘一般由晶振產(chǎn)生，但在單片機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘不一定等于晶振頻率，有可能小于晶振頻率，也有可能大于晶振頻率，具體是多少由單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，正常情況和晶振頻率會(huì)存在一個(gè)整數(shù)倍關(guān)系。系統(tǒng)時(shí)種是整個(gè)單片機(jī)工作節(jié)奏的基準(zhǔn)，它每振蕩一次，單片機(jī)就被觸發(fā)執(zhí)行一次操作。

一般來(lái)說(shuō),單片機(jī)只有一個(gè)時(shí)鐘源.用了外部晶振,就不用內(nèi)部RC,用了內(nèi)部RC,就不用外部晶振.振蕩器振蕩,產(chǎn)生周期波.單片機(jī)在這樣的周期波的作用一下有規(guī)律的一拍一拍的工作,波的頻率越高,單片工作得就越快,波的頻率越低,單片機(jī)工作得就越慢。

有了以上的概念以后，就可以正確的理解定時(shí)器的工作原理了，在8051F310單片機(jī)中，有3個(gè)定時(shí)器，如果定時(shí)器1工作在模式1下，如工作模式1下，是16位的計(jì)時(shí)器，最大數(shù)值是65535,當(dāng)再加1時(shí)(=65536)，就會(huì)發(fā)生溢出，產(chǎn)生中斷，所以如果我們要它計(jì)1000個(gè)數(shù)， 那么定時(shí)初值就是65536-1000，結(jié)果就是64536，這個(gè)值送給TH、TL，因?yàn)槭?6進(jìn)制的，所以高位是64536/256取商，低位是64536%6取余。

再者，就是每一計(jì)數(shù)的時(shí)間是多久?一般我們?nèi)?2M晶振時(shí)，一個(gè)周期剛好是1us，計(jì)數(shù)1000個(gè)就是1ms，這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的51單片機(jī)是12時(shí)鐘周期的(STC有6時(shí)鐘和1時(shí)鐘方式)。那么，如果我們晶振是12M，就比較好算，如果是其它的，就用12去除好了。比如是6M的，那么就是12/6=2，每個(gè)計(jì)數(shù)是2us，那么你要定時(shí)1ms就只要計(jì)數(shù)500個(gè)即可以。

定時(shí)器的初值跟定時(shí)器的工作方式，跟晶振頻率都有關(guān)系。一個(gè)機(jī)器周期Tcy=晶振頻率X12，計(jì)數(shù)次數(shù)N=定時(shí)時(shí)間t/機(jī)器周期Tcy，那么初值就X=65536-N，得出的數(shù)化成十六進(jìn)制就行了。這里是用定時(shí)器O工作方式1做例子，如果是其它工作方式，就不能是65535了。工作方式0是8192，方式2，3是256。這里有一個(gè)公式：

TH=(65536-time/(12/ft))/256

其中，time就是要延時(shí)的100ms(要取100000us)，ft是晶振頻率。這個(gè)式子又可以簡(jiǎn)化成

TH=(65536-time*ft/12)/256

TL=(65536-time*ft/12)%6

在一本書(shū)上還看到了這樣計(jì)算定時(shí)初值的：

TH0=-(50235/256); //重裝100ms定時(shí)初值

TL0=-(50235%6); ///這里使用的6M晶體，

這里是6M晶體，延時(shí)100ms，那么按上面講的原理，6M是每個(gè)計(jì)數(shù)為2us，100ms定時(shí)就是計(jì)數(shù)50000個(gè)。

那么，定時(shí)器初值要 65536-50000=15536，轉(zhuǎn)成16進(jìn)是3CB0。這就是要送給TH(=3C) 和TL(=B0)的值。

程序中寫(xiě) TH0=-(50235/256);其實(shí)它是這樣的TH0=0x100-(50235/256); 在51中，取負(fù)數(shù)，其結(jié)果就是它的值取反+1，也可以用0x100(十進(jìn)制的256)去減，結(jié)果是多少呢?結(jié)果就是3C。