2.4 CPU时序.ppt

1、,Vcc,Vss,+5V,XTAL1,XTAL2,RST1,+5V,+5V,P1.0,单片机最小系统,第二章89C51单片机硬件结构和原理,-时钟电路及89C51CPU时序,主讲：武桐,主要内容,片内时钟信号的产生,1,CPU取指、执指时序,2,2.4 时钟电路及89C51CPU时序,一、片内时钟信号的产生,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。单片机运行时是以主振频率为基准的，控制器控制CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，将各个硬件环节组织在一起，这种严格的时序保证了各部件间 的同步工作。,一、片内时钟信号的产生,89C51芯片内部有一个高增益反相放大器，

2、用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容就可构成稳定的自激振荡器。,2.4 时钟电路及89C51CPU时序,一、片内时钟信号的产生,电容器C1和C2通常取30 pF左右，可稳定频率并对振荡频率有微调作用。振荡脉冲频率范围为 fOSC=024 MHz。,晶体振荡器的频率为 fOSC，振荡信号从XTAL2端输入到片内的时钟发生器上，如图所示。,2.4 时钟电路及89C51CPU时序,振荡周期与状态周期,一、片内时钟信号的产生,为了便于对CPU时序进行分析，我们将指令的执行过程规定了以下几种周期，即振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期。,振荡周

3、期是计算机中最基本的、最小的时间单位。它定义为时钟脉冲频率的倒数。在89C51单片机中将一个振荡周期定义为1个节拍。,2.4 时钟电路及89C51CPU时序,一、片内时钟信号的产生,时钟发生器是一个2分频的触发器电路，它将振荡器的信号频率fOSC除以2，向CPU提供两相时钟信号P1和P2。时钟信号的周期称为机器状态周期S(STATE)，是振荡周期的2倍。,2.4 时钟电路及89C51CPU时序,节拍与状态周期,一、片内时钟信号的产生, 每个状态周期(以后常称状态S) 有两个节拍(相)P1和P2，CPU就 以两相时钟P1和P2为基本节拍指 挥89C51单片机各个部件协调地 工作。,2.4 时钟电

4、路及89C51CPU时序,节拍与状态周期,一、片内时钟信号的产生, 在每个状态周期S的前半周 期，相位1(P1)信号有效，在 每个时钟周期的后半周期， 相位2(P2，节拍2)信号有效。,2.4 时钟电路及89C51CPU时序,机器周期,一、片内时钟信号的产生, 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 基本操作，例如取指令、读存储器、写存储器等。一个机器 周期是指CPU完成这每一个基本操作所需的时间。, 每个机器周期（12个振荡周期）由6个状态周期组成，即S1、 S2、S6，,2.4 时钟电路及89C51CPU时序,一、片内时钟信号的产生, 每个状态周期由两个时相P1、P2组成（即

5、为2个主振振荡周 期）。所以一个机器周期可依次表示为S1P1、S1P2、S2P1、 S2P2S6P1、S6P2。,若采用6MHz晶体振荡器，则每个机器周期为2s,2.4 时钟电路及89C51CPU时序,指令周期,一、片内时钟信号的产生, 指令周期：执行一条指令所需的时间。 每条指令由一个或若干个字节组成。有单字节指令，双字 节指令，多字节指令等。字节数少则占存储器空间少。,89C51的指令周期一般只有12个机器周期，只有乘、除两条指令占4个机器周期。, 每条指令的指令周期都由一个或几个机器周期组成。有单周 期指令、双周期指令、和四周期指令。机器周期数少则执行 速度快。,2.4 时钟电路及89C

6、51CPU时序,3. 基本时序定时单位,综上所述，89C51单片机的基本时序定时单位有如下4个： 振荡周期： 晶振的振荡周期，为最小的时序单位。 状态周期： 振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供给片内CPU的时钟周期。一个状态周期包含2个振荡周期。 机器周期（MC）： 1个机器周期由6个状态周期、即12个振荡周期组成，是计算机执行一种基本操作的时间单位。 指令周期： 执行一条指令所需的时间。一个指令周期由14个机器周期组成，依据指令不同而不同，见附录A。,2.4 时钟电路及89C51CPU时序,4个时序单位从小到大依次是振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期，如图2-13所示。,图2-13 89C51单片机各种周期的相互关系,2.4 时钟电路及89C51CPU时序,每条指令的执行都可以包括取指和执指两个阶段。 在取指阶段，CPU从内部或外部ROM中取出指令操作码及操作数，然后再执行这条指令。 单字节和双字节的指令都可能是单机器周期或双周期，而三字节指令都是双周期的，只有乘、除指令占四周期。因此，执行一条指令的时间（指令周期）分别是2s，4s和8s。,二、 CPU取指、执行周期时序,2.4 时钟电路及89C51CPU时序,通过观察XTAL2和ALE引脚的信号，来分析CPU取指令时