51单片机时序及延时分析介绍

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中的时序电路发出的。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单片机的时序之前，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？
    要给我们的计算机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，但要形成时钟，外部还需要加一些附加电路。8051单片机的时钟产生有以下两种方法：
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，外接晶振时，晶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，晶振的频率范围可在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XTAL2。HMOS和CHMOS单片机外时钟信号接入方式不同，HMOS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CHMOS型的单片机（例如 80C51），因内部时钟发生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
                          
          
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，要求高、低电平的持续时间都大于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。
   前面已提到，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。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，由于执行操作有较大的差别，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（可以这样来理解，时钟周期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），是计算机中最基本的、最小的时间单位。
   在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。对于某种单片机，若采用了1MHZ的时钟频率，则时钟周期为1us；若采用4MHZ的时钟频率，则时钟周期为250us。由于时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲，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来）。显然，对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，由于不同的计算机硬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一定相同。我们学习的8051单片机的时钟范围是1.2MHz-12MHz。
   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，一个机器周期由若干个S周期（状态周期）组成。8051系列单片机的一个机器周期同6个S周期（状态周期）组成。前面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个状态周期组成，也就是说一个机器周期=6个状态周期=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。对于一些比较复杂的指令，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、指令周期之间的关系图如下。
 

 
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，按它们的长度可分为单字节指令、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，有下面几种形式：
·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) 
下图是MCS-51系列单片机的指令时序图：
 




上图是单周期和双周期取指及执行时序，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。从时序图中可看出，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，第一次在S1P2和S2P1期间，第二次在S4P2和S5P1期间。
接下来我们分别对几个典型的指令时序加以说明。
·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，那么读出的还是原指令，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，只是第一个ALE信号有效时读的是操作码，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中读取指令，然后对外部数据存储器进行读或写操作，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取状态，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，有兴趣的读者可参阅有关书籍。
·外部程序存储器(ROM)读时序
                                                                   

右图8051外部程序存储器读时序图，从图中可看出，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，之后出现在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口只输出地址信号，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，必须有两个信号进行控制，除了上述的ALE信号，还有一个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中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中的内容。
在S4结束后，先把需读取RAM中的地址放到总线上，包括P0口上的低8位地址A0-A7和P2口上的高8位地址A8-A15。当RD选通脉冲有效时，将RAM的数据通过P0数据总线读进CPU。第二个机器周期的ALE信号仍然出现，进行一次外部ROM的读操作，但是这一次的读操作属于无效操作。
对外部RAM进行写操作时，CPU输出的则是WR（写选通信号），将数据通过P0数据总线写入外部存储中。