CPU时序资料

MCS-51指令的取指/执行时序
例:
取指过程 执行过程
运算器 ①② 累加器A
MOV A,#09H
程序计数器
74H 09H
;把09H送到累加器A中
外部地址总线AB
地址寄存器
0002H PC= 0000H 0001H
内 部 数 据 总 线
0000H
存 储 器
(PC) (PC) (PC) 0002H 0001H 0 0 0 0 1 0 0 1 0000H 0 1 1 1 0 1 0 0
P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1
读下一个操作码（丢弃）
P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2
再读下一 条指令
P1 P2
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S1
S2
（c）单字节，双周期指令 例：INC DPTR 读操作码（ MOVX ） P P P P P
MCS-51的定时单位从小到大依次是节拍,状态,机器周期,指令周期 节拍P:振荡脉冲的周期,也成为时钟周期. fOSC 状态S:一个状态S包含两个节拍,其前半周期对应的节拍叫P1,后半周期对应的 节拍叫P2. fosc/2 机器周期:一个机器周期的宽度为6个状态,依次表示为S1-S6,由于一个机器周 期共有12个振荡脉冲周期,因此机器周期就是振荡脉冲的12分频. fosc/12 指令周期:执行一条指令所需的时间称为指令周期,可包含1-4个机器周期,


二、CPU执行指令时序
S1 XTAL2 (OSC) ALE
P1 P2 P1
S2
P2 P1
S3
P2 P1
S4
P2 P1
S5
P2 P1
S6
P2 P1
S1
P2 P1
S2
P2 P1
S3
P2 P1
S4
P2 P1
S5
P2 P1
S6
P2 P1
S1
P2 P1
S2
读操作码
P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2
8051一般上电就复位，振荡器及时钟发生器也同 时开始工作，CPU的工作时序就从此开始了 复位后，PC内容为0000H，使单片机从起始地址 0000H单元开始执行程序。 单片机的复位方式有上电复位和按键手动复位两 种。 复位电路中的电阻、电容数值的设置，是要保证 在RST引脚处至少保持2个机器周期(24个振荡周 期)的高电平而完成复位过程的，也就是在斯密 特触发器的输入端维持在最低阈值电压以上足够 长时间，使斯密特触发器产生一个正脉冲。
CPU时序和复位电路
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟 信号. 时序所研究的是指令执行中各个信号的相互 关系 单片机本身就如同一个复杂的同步时序电路, 为了保证同步方式的实现,电路应在唯一的时 钟信号控制下严格的按时序进行工作. 。

片内振荡器及时钟信号的产生
805l芯片内部有一个高增益反相 放大器，用于构成振荡器。反 相放大器及输入端为XTAL1，输 出端为XTAL2，分别为8051的引 脚19和18。 在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶 体及两个微调电容就构成了稳 定的自激振荡器。 电容器Cl和C2通常都取20pF-50pF， 对振荡频率有微调作用。 振荡频率范围是1．2—12MHZ。
1 2 1 2
P1
P2
1
读下一个操作码 无取指无ALE P （丢弃） P P P P P P P P P P P
2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2
无取指
P2 P1 P2 P1 P2 P1
1
再读下一 条指令 P P P
2 1 2
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S1
S2
S3
S4
Hale Waihona Puke Baidu
S5
S6
S1
S2
地址 数据（DATA） （d）单字节，双周期指令，如MOVX 访问外部存储器
读下一个操作 码（丢弃） P P P P P
1 2 1 2 1
P2
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S1
（a） 单字节，单周期指令 例：MOV A R1 读操作码
P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2
读第二字节
P1 P2 P1 P2 P1 P2
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S1
（b） 双字节，单周期指令 例：ADD A dir 读操作码
每条指令都由一个或几个机器周期组成。在MCS—51系统中， 有单周期指令、双周期指令和四周期指令。 四周期指令只有乘、除两条指令，其余都是单周期或双周期指令。

MCS-51单片机各种周期的相互关系
指令周期 机器周期 机器周期 S1 S4 S2 S3 S4 S5 S6 S1 S2 S3 S5 S6 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 振荡周期 XTAL2 (OSC) 时钟周期
外部振荡脉冲信号
8051也可使用外部振荡脉冲 信号，由XTAl2端引脚输入， 直接送至内部时钟电路。因 为XTAL2的逻辑电平与TTL 电平不兼容，所以应接一个 上拉电阻(5．1k)。 外部振荡脉冲源方式常用于 多片8051同时工作，以便于 同步。

机器周期和指令周期



计算机的一条指令由若干个字节组成。执行一条指令需要多 长时间则以机器周期为单位。 所谓一个机器周期是指CPU访问存储器一次所需要的时间。 例如取指令、读存储器、写存储器等等。 MCS—51的一个机器周期包括12个振荡周期，分为六个S状态： S1一S6。而每个状态又分为两拍，称为P1和P2。 因此，一个机器周期中的12个振荡周期表示为SlPl、SlP2、 S2Pl，……，S6P2。 若采用6MHz晶体振荡器，则每个机器周期恰为2us。
地址 译码
指令的处理都包 括取指（取操作 码或操作数）和 执行（指令的逻 辑功能）两个阶 段，每出现一次 ALE信号，CPU 就进行一次取指 操作
寄存器区 数据缓冲器 内部控制信号 指令 寄存器 译码 外部数据总线DB
时钟及清零
外部控制总线CB
复位及复位电路

HMOS型805l的复位结构见图。

复位引脚RST通过片内一个斯密特触发器与片内复位电路 相连。斯密特触发器用来脉冲整形及抑制噪声，其输出在 每个机器周期的S5P2时被复位电路采样一次。如果输出2 个机器周期(24个振荡周期)的高电平的正脉冲，805l便执 行内部复位。