第十五课51单片机时序及延时分析

1、第十五课：51单片机时序及延时分析计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的。这个脉冲是由单片机控制 器屮的时序电路发出的。单片机的时序就是cpu在执行指令时所需控制信号的时间顺序，为 了保证各部件间的同步工作，单片机内部电路应在唯一的时钟信号下严格地控时序进行工 作，在学习51单片机的时序z前，我们先来了解下时序相关的一些概念。既然计算机是在统一的时钟脉冲控制下工作的，那么，它的时钟脉冲是怎么来的呢？耍给我们的计算机cpu提供时序，就需要相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。我们 学习的8051单片机内部有一个高增益反相放大器，这个反相放大器的作用就是用于构成振 荡器用的，但要形成

2、时钟，外部还需要加一些附加电路。8051单片机的时钟产牛有以下两 种方法：一、内部时钟方式：利用单片机内部的振荡器，然后在引脚xtal1 （18脚）和xtal2 （19脚）两端接晶振，就构 成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路，外接品振时，品振两端的电 容一般选择为30pf左右；这两个电容对频率有微调的作用，品振的频率范围可在 1.2mhz-12mhz之间选择。为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡 器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。（提示一下，本站提供的学习套件全部采用的 就是这种时钟方式）。二、外部时钟方式：此方式是利用外部振荡脉冲接入xtal1或

3、xtal2ohmos和chmos单片机外时钟信号接入方式 不同,hm0s型单片机（例如8051 ）外时钟信号由xtal2端脚注入后直接送至内部时钟电路, 输入端xtal1应接地。由于xtal2端的逻辑电平不是ttl的，故建议外接一个上接电阻。对 于chm0s型的单片机（例如80c51）,因内部吋钟发牛器的信号取自反相器的输入端，故采 用外部时钟源时，接线方式为外时钟信号接到xtal1而xtal2悬空。如下图ttl80c5180c51xtal2外 部 时.钟f8051外时钟源接法xtal1vssxtal1xtai.2vss80c51外时钟源接法外接时钟信号通过一个二分频的触发器而成为内部时钟信号

4、，要求高.低电平的持续时间部 人于20ns, 一般为频率低于12mhz的方波。片内时钟发生器就是上述的二分频触发器，它 向芯片提供了一个2节拍的时钟信号。前面己提到，计算机丁作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的。由于指令 的字节数不同，取这些指令所需要的时间也就不同，即使是字节数相同的指令，由于执行操 作有较人的罢别，不同的指令执行时间也不一定相同，即所需的拍节数不同。为了便于对 cpu时序进行分析，一般按指令的执行过程规定了几中周期，即时钟周期、机器周期和指令 周期，也称为时序定时单位，下面分别予以讲解。时钟周期时钟周期也称为振荡周期，定义为时钟脉冲的倒数（可以这样來理解，时钟周期

5、就是 单片机外接晶振的倒数，例如12m的晶振，它的时间周期就是1/12 us）,是计算机中最基 木的、最小的时间单位。在一个时钟周期内，cpu仅完成一个最基木的动作。对于某种单片机，若采用了 1miiz的 时钟频率，则时钟周期为lus；若采用4mhz的时钟频率,则时钟周期为250uso由于时钟脉 冲是计算机的基木工作脉冲，它控制着计算机的工作节奏（使计算机的每一步都统一到它的 步调上來）。显然，対同一种机型的计算机，时钟频率越高，计算机的工作速度就越快。但 是，由于不同的计算机帔件电路和器件的不完全相同，所以其所需要的时钟周频率范围也不 -定相同。我们学习的8051单片机的时钟范围是1. 2m

6、hz-12mhzo在8051单片机中把一个时钟周期定义为一个节拍（用p表示），二个节拍定义为一个 状态周期（用s表示）。请大家参考后面的时序图。机器周期在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完 成一项工作。例如，取指令、存储器读、存储器写等，这每一项工作称为一个基本操作。完 成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。一般情况下，一个机器周期由若t个s周期（状 态周期）组成。8051系列单片机的-个机器周期同6个s周期（状态周期）组成。前血已 说过一个时钟周期定义为一个节拍（用p表示），二个节拍定义为一个状态周期（用s表 示），8051单片机的机器周期由6个状态

7、周期组成，也就是说一个机器周期=6个状态周期 二12个时钟周期。参见后面的时序图。指令周期指令周期是执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成。指令不同，所 需的机器周期数也不同。对于一些简单的的单字节指令，在取指令周期中，指令取出到指令 寄存器后，立即译码执行，不再需要其它的机器周期。对于一些比较复朵的指令，例如转移 指令、乘法指令，则需要两个或者两个以上的机器周期。时钟周期、机器周期、指令周期z间的关系图如下。通常含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令。mcs-51指令系统中，按它们的长度对分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。执行这 些指令需要

8、的时间是不同的，也就是它们所需的机器周期是不同的，有下而儿种形式：单字节指令单机器周期单字节指令双机器周期双字节指令单机器周期双字节指令双机器周期三字节指令双机器周期单字节指令四机器周期（如单字节的乘除法指令）f图是mcs-51系列单片机的指令时序图：振荡脉冲 ln_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n>上图是单周期和双周期取指及执行吋序，图中的ale脉冲是为了锁存地址的选通信号,显然, 每出现一次该信号单片机即进行一次读指令操作。从时序图屮可看出，该信号是时钟频率6 分频后得到，在一个机器周期中，ale信号两次有效，笫一次在s1

9、p2和s2p1期间，笫二次 在s4p2和s5p1期间。接下来我们分别对儿个典型的指令吋序加以说明。单字节单周期指令：单字节单周期指令只进行一次读指令操作，当第二个ale信号有效时，pc并不加1,那么读 出的述是原指令，属于一次无效的读操作。双字节单周期指令：这类指令两次的ale信号都是有效的，只是笫一个ale信号有效吋读的是操作码，第二个 ale信号有效时读的是操作数。单字节双周期指令：两个机器周期需进行四读指令操作，但只有一次读操作是有效的，后三次的读操作均为无效 操作。单字节双周期指令有一种特殊的情况，象movx这类指令，执行这类指令时，先在rom屮读 取指令，然后对外部数据存储器进行读或

10、写操作，头一个机器周期的第一次读指令的操作码 为有效，而第二次读指令操作则为无效的。在第二个指令周期时，则访问外部数据存储器, 这时，ale信号对其操作无影响，即不会再有读指令操作动作。上页的时序图中，我们只描述了指令的读収状态，而没有画出指令执行时序，因为每条指令 都包含了具体的操作数，而操作数类型种类繁多，这里不便列出，冇兴趣的读者可参阅冇关 书籍。外部程序存储器(rom)读时序 si i s2| s3 1s4 is5 i s6i si |s2 | s3 ! s4 !s5 is6 i 振荡脉冲 iinnnnniinnnnniinnnnniiniinnnnrat p1_11_1j_l1 11

11、11 bll iird11f2xxxpo o-o-ocd一oc8051外部数据存储器读时序右图8051外部程序存储器读时序图，从图屮可看出，p0 口提供低8位地址，p2 口提供高8 位地址，s2结束前，p0 口上的低8位地址是有效的，z后出现在p0 口上的就不再是低8 位的地址信号，而是指令数据信号，当然地址信号与指令数据信号之间有一段缓冲的过度时 间，这就要求，在s2其间必须把低8位的地址信号锁存起来，这时是用ale选通脉冲去控 制锁存器把低8位地址予以锁存，而p2 ii只输出地址信号，而没有指令数据信号，整个机 器周期地址信号都是有效的，因而无需锁存这一地址信号。从外部程序存储器读取指令，

12、必须有两个信号进行控制，除了上述的ale信号，述有一个 psen (外部rom读选通脉冲),上图显然可看出，psen从s3p1开始有效,直到将地址信号 送出和外部程序存储器的数据读入cpu后方才失效。而又从s4p2开始执行第二个读指令操 作。外部数据存储器(ram)读时序右图8051外部数据存储器读写时序图，从rom +读取的需执行的指令，而cpu对外部数据 存储的访问是对ram进行数据的读或写操作，属于指令的执行周期，值得一提的是，读或写 是两个不同的机器周期，但他们的时序却是相似的，我们只对ram的读时序进行分析。上一个机器周期是取指阶段，是从rom中读取指令数据，接着的下个周期才开始读取外部数 据存储器ram屮的内容。在s4结束后，先