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单片机的机器周期时钟周期状态周期指令周期

时间:2014-04-15 14:58:58  来源:  作者:

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。

    8051单片机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)。

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由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。 

    例如外接24M晶振的单片机,他的一个机器周期=12/24M 秒;

指令周期:

    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。
    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。

总线周期:

    由于存贮器和I/O端口是挂接在总线上的,CPU对存贮器和I/O接口的访问,是通过总线实现的。通常把CPU通过总线对微处理器外部(存贮器或 I/O接口)进行一次访问所需时间称为一个总线周期。

总结一下,时钟周期是最小单位,机器周期需要1个或多个时钟周期,指令周期需要1个或多个机器周期;机器周期指的是完成一个基本操作的时间,这个基本操作有时可能包含总线读写,因而包含总线周期,但是有时可能与总线读写无关,所以,并无明确的相互包含的关系。

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51单片机有指令周期,机器周期,时钟周期的说法,看似相近,但是又都不太一样,很容易混淆。还是详细分析一下。

        时钟周期:单片机外接的晶振的振荡周期就是时钟周期,时钟周期=振荡周期。比方说,80C51单片机外接了一个11.0592M的晶体振荡器,那我们就说这个单片机系统的时钟周期是1/11.0592M,这里要注意11.0592M是频率,周期是频率的倒数。

        机器周期:单片机执行指令所消耗的最小时间单位。我们都知道51单片机采用的CISC(复杂指令指令集),所以有很多条指令,并且各条指令执行的时间也可能不一样(有一样的哦),但是它们执行的时间必须是机器周期的整数倍,这就是机器周期的意义所在。8051系列单片机又在这个基础上进行细分,将一个机器周期划分为6个状态周期,也就是S1-S6,每个状态周期又由两个节拍组成,P1和P2,而P1=P2=时钟周期。这也就是经常说的8051系列单片机的的时钟频率是晶振频率的12分频,或者是1/12,就是这个意思。现在(截至2012)新的单片机已经能做到不分频了,就是机器周期=时钟周期。

        指令周期:指令周期执行某一条指令所消耗的时间,它等于机器周期的整数倍。传统的80C51单片机的指令周期大多数是单周期指令,也就是指令周期=机器周期,少部分是双周期指令。现在(截至2012)新的单片机已经能做到不分频了,并且尽量单指令周期,就是指令周期=机器周期=时钟周期。

 

 

 

51 单片机指令周期,机器周期,时钟周期详解 - dzdesigned80 - dzdesigned80的博客
 

         来看这张8051单片机外部数据,这里ALE和$PSEN$的变化频率已经小于一个机器周期,如果使用C语言模拟这个信号是没有办法做到的一一对应的,所以只能尽量和上面的时序相同,周期延长。

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