MCS—51单片机时序

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.4 MCS51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IO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。,1,一、时序定时单位,单片机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。,MCS51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,。,2,1、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：S1S6。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。,3,3、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，MCS51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。,4,二、 MCS51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。,5,6,1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。,7,三、访问片外ROM/RAM的指令时序,MCS51单片机的一个机器周期包含了6个状态周期：S1S6，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。,8,9,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。,10,(二)、访问片外RAM（外部数据存储器）的指令时序图,11,1、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A0A7送上P0口线，高8位地址信号A8A15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S4S5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（A0A15）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。,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。,12,本次课应完成以下作业：教材：p78的214、223题,第三章 MCS51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,13,