MCS—51单片机时序(4)

3、指令周期 指令周期是最大的时序定时单位，执行一条指 令所需要的时间称之为指令周期。指令周期以机器 周期的数目来表示，MCS－51的指令周期根据指 令的不同，可包含有一（单周期）、二（双周期）、 三或四个机器周期。 指令的运算速度和指令所包含的机器周期数 有关，机器周期数越少的指令执行速度越快。 例如当振荡脉冲频率为12MHz时，一个机器 周期为1微秒，当振荡脉冲频率为6MHz时，一个 机器周期为2微秒。 对于振荡脉冲频率为12MHz的 单周期指令、双周期指令、三周期指令和四周期指 令其指令的执行时间分别为： 1微秒、2微秒、3微 秒和4微秒。
1．单字节单周期指令（例如INC A） 由于是单字节指令，因此只需进行一次读指令操作。当第二个 ALE有效时，由干PC没有加1，所以读出的还是原指令，属于一次 无效的操作。 2．双字节单周期指令（例如ADD A，＃data） 这种情况下对应于ALE的两次读操作都是有效的，第一次是读 指令操作码，第二次是读指令第二字节（本例中是立即数）。 3．单字节双周期指令（例如INC DPTR） 两个机器周期共进行4次读指令的操作，但其中后三次的读操作 全是无效的。 4．单字节双周期（MOVX类指令） 如前述每个机器周期内有两次读指令操作，但MOVX类指令情况 有所不同，因为执行这类指令时，先在ROM读取指令，然后对外部 RAM进行读/写操作。第一机器周期时，与其它指令一样，第一次读 指令操作码有效，第二次读指令操作无效。第二机器周期时，对外 部RAM访问，不产生读指令操作。
2、 写外部数据存储器的时序。由于写数据的过程是CPU主动 将数据送上总线，因而从写时序图上可以看到，在S3周期，P0 口线在送出低8位地址后，便转换为将操作数据送上P0口线， 中间不再出现高阻抗状态。在S4周期，写控制信号有效（由高 电平变为低电平），此时，P0口线上的数据被写人数据存储器 的对应地址下，完成一次外部数据写过程。
1、节拍与状态
把振荡脉冲的周期定义为节拍（用“P”表示）。振荡脉 冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号，把时钟信号的周 期定义为状态（用“S”表示）。这样，一个状态就包含两个 拍节，其前半周期对应的节拍叫节拍1（P1），后半周期对应 的节拍叫节拍2（P2）。
2、机器周期 规定一个机器周期的宽度为6个状态，并依次表示为： S1～S6。由于一个状态又包括两个节拍，因此一个机器周 期总共有12个节拍，分别记作S1P1 、S1P2、……S6P12。 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 是振荡频率的十二分频。
二、 MCS—51指令的取指/执指时序
单片机在程序的控制下，一步一步地完成程序 中所规定的任务。而程序是由一条条指令组成的执 行成序就意味着执行指令。 单片机执行任何一条指令时都可以分为取指令 阶段和执行指令阶段。取指令阶段简称取指阶段， 单片机在这个阶段里可以把程序计数器PC中的地址 送到程序存储器，并从中取出需要执行指令的操作 码和操作数。指令执行阶段可以对指令操作码进行 译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。几 种典型的单片机取指/执行指令的时序如下图示。
本次课应完成以下作业： 教材：p78的2．14、2．23题
第三章 MCS—51单片机指令系统 3.1概述（指令格式、分类、指令系统综述） 4.1.3 汇编语言构成（伪指令）3.2 寻址方式
三、访问片外ROM/RAM的指令时序
MCS－51单片机的一个机器周期包含了6个状态周期： S1～S6，每个状态周期又可划分为2个拍节：P1、P2，每个 拍节实际为1个振荡器周期。因此，一个机器周期包含了12个 振荡器周期。当进行片外存储器扩展以及扩展按存储器方式 寻址的I/O接口时，所遵循的都是单片机与访问外部存储器有 关的时序图。在介绍外部存储器扩展之前，先了解外部存储 器的数据操作时序图。 (一)、访问片外ROM（外部程序存储器）的指令时序图 (如下图所示) 图(a)为寻址外部程序存储器时不执行访问外部数据存储 器指令MOVX时的时序，图(b)为寻址外部程序存储器时执行 访问外部数据存储器指令MOVX时的时序，两种时序在操作 中略有不同。
2.4 MCS—51单片机时序
单片机时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间 顺序。单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证 同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格 地按时序进行工作。而时序所研究的则是指令执行中各信号 之间的相互时间关系。在执行指令时，CPU首先要到程序存 储器中取出需要执行指令的指令码，然后对指令码译码，并 由时序部件产生一系列控制信号去完成指令的执行。这些控 制信号在时间上的相互关系就是CPU时序。 CPU发出的时序信号有两类：一类用于片内各功能部件 的控制。这类信号很多，但对于用户是没有意义的，故通常 不作专门介绍；另一类用于片外存储器或I／O端口的控 制，需要通过器件的控制引脚送到片外，这部分时序对于分 析硬件电路原理至关重要。
(二)、访问片外RAM（外部数据存储器）的指令时序图
1、读取外部数据存储器的时序。 在第一个状态周期S1，地址 锁存有效信号ALE由低变高，开始了读周期。在S2周期，CPU 将低8位地址信号A0～A7送上P0口线，高8位地址信号A8～ A15此后一直锁存在P2口上。在S3周期，P0口线由低8位地址 转换为高阻抗状态。在S4～S5周期，读控制信号而有效（由高 电平变为低电平），被寻址的数据存储器将对应地址下（A0～ A15）的有效数据送上P0口线，供单片机读取，当读信号回到 高电平，P0口再次转换为高阻抗状态，被寻址的数据存储器的 总线浮空，完成一次外部数据读取过程。
不执行MOVX时，P2口专门用于输出PCH。P0口则作为低 8位地址与8位数据分时共用的双向总线，在CPU时序的控制下， 交替输出PCL和输人指令数据。在每一个机器周期中，地址锁 存信号ALE两次有效，当ALE由高变低时，低8位有效地址PCL 出现在P0口线，用作P0口数据/地址分离的低8位地址锁存器应 在这一时刻锁存地址信号。/PSEN信号也是每个机器周期两次 有效，用于选通外部程序存储器，以使指令数据送入P0口线， 供CPU读取。 执行MOVX指令的时序与不执行MOVX指令的时序稍有不同。 如果从外部程序存储器获得的是一条MOVX指令，在同一周期 的S5状态，ALE由高变低时，P0总线上出现的不再是有效的 PCL数据，而是外部数据存储器的低8位地址，P2总线也由原来 的程序存储器高8位地址改变为外部数据存储器的高8位地址， 同一周期下的S6状态，/ PSEN有效信号也将不再出现，在下一 个周期的第一个ALE有效信号也不出现，代之的是读（或写） 信号有效，P0口线上将出现外部数据存储器送出（或读入）的 数据。
一、时序定时单位 单片Leabharlann Baidu执行指 令是在时序电路的 控制下一步一步进 行的，通常以时序 图的形式来表明相 关信号的波形及先 后次序。
MCS—51时序的定时单位共有四个，从小到大依次是： 节拍、状态、机器周期和指令周期。振荡电路产生的振荡脉 冲并不直接使用，而是经分频后再为系统所用，如上图所示。 振荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号（注意时 钟脉冲与振荡脉冲之间的二分频关系，否则会造成概念上的 错误），在二分频的基础上再三分频产生ALE信号（这就是 在前面介绍ALE时所说的“ALE以晶振六分之一的固定频率 输出的正脉冲”），在二分频的基础上再六分频得到机器周 期信号。