2.5 时钟电路与CPU的时序

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，本节将介绍有关电路及CPU的时序。

2.5.1 振荡器和时钟电路

时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。时钟信号可以由两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式，下面分别予以介绍。

1.内部时钟方式

89C51内部有一个高增益反向放大器（即与非门的一个输入端编程为常有效时），用于构成片内振荡器，引脚XTAL1 和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，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发生器，见图2-10。外接晶振时，C1、C2 值通常选择为30 pF左右；外接陶瓷谐振器时，C1、C2 约为47 pF。C1、C2 可稳定频率并对振荡频率有微调作用，振荡频率范围是0~24 MHz。为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠地工作，谐振器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。

内部时钟发生器实质上是一个二分频的触发器，其输出是单片机工作所需的时钟信号。

2.外部时钟方式

外部时钟方式是采用外部振荡器，外部振荡脉冲信号由89C51的XTAL1端接入后直接送至内部时钟发生器，见图2-11。输入端XTAL2应悬浮，由于XTAL1端的逻辑电平不是TTL的，故建议外接一个上拉电阻。

一般要求，外接的脉冲信号应当是高、低电平的持续时间大于 20 ns，且频率低于24 MHz的方波。这种方式适合于多块芯片同时工作，便于同步。

2.5.2 CPU的时序及有关概念

时序是表达指令执行中各控制信号在时间上的相互关系。时序是用定时单位来说明的， 89C51单片机的时序定时单位共有4个，从小到大依次是：拍、状态、机器周期、指令周期，如图2-12所示。下面分别加以说明。

（1）拍（P）：把振荡脉冲的周期称为拍，用P表示。它就是晶体的振荡周期，或是外部振荡脉冲的周期，拍是89C51单片机中最小的时序单位。

（2）状态或时钟周期（S）：振荡脉冲经过二分频后，就得到单片机的时钟信号，把时钟信号的周期称为状态，用S表示。一个状态包含两个拍，分别称做P1和P2，或者前拍和后拍。时钟周期是单片机中最基本的时间单位，在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。

（3）机器周期：通常把CPU完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。一个机器周期由 6 个状态（或 12 拍）组成，可依次表示为 S1P1，S1P2，S2P1，S2P2，…， S6P1，S6P2。

当振荡频率为12 MHz时，一个机器周期为1 μs；当振荡脉冲频率为6 MHz时，一个机器周期为2 μs。请记住这些数据，以后在程序里计算时间或使用定时器都要用到。

（4）指令周期：指令周期就是执行一条指令所需要的时间。指令周期是89C51 单片机中最大的时序单位，一般由若干个机器周期组成。指令不同，所需要的机器周期数也不同，但一条指令的周期应在1 4个机器周期范围内，每条指令所用的机器周期数详见附录B。

2.5.3 CPU的取指令和执行指令时序

每一条指令的执行都可分为取指令和执行指令两个阶段。在取指令阶段，CPU从内部或外部ROM中取出指令操作码和操作数，然后再执行这条指令。

在89C51单片机中，每一条指令的长度根据其操作的繁简程度，可分为单字节、双字节和三字节指令。执行每条指令所用的时间也不相同，可分为单字节单机器周期指令、单字节双机器周期指令、双字节单机器周期指令、双字节双机器周期指令和三字节双机器周期指令，只有乘除法是单字节四机器周期指令。

图2-13给出了89C51单片机几种典型指令的取指令和执行指令的时序。可以通过观察XTAL2和ALE引脚信号，分析CPU取指时序。由图可知，在每一个机器周期内，地址锁存信号ALE出现二次有效信号，即两次高电平信号。第一次出现在S1P2和S2P1期间，第二次出现在S4P2和S5P1期间。

对于单周期指令，当操作码被送入指令寄存器时，便从S1P2开始执行指令，在S6P2结束时完成指令操作。

如果是单字节单周期指令，则在同一个周期的S4P2期间虽然读操作码，但所读的这个字节操作码被丢掉，程序指针PC也不加1，见图2-13（a）。

如果是双字节单周期指令，则在S4期间读指令的第二个字节，见图2-13（b）。

对于单字节双周期指令，在2个机器周期内发生4次读操作码的操作，由于是单字节指令，后3次读操作都无效，如图2-13（c）所示。但当访问外部数据存储器指令（如MOVX）时，时序有所不同。它也是单字节双周期指令，在第一个机器周期里有2次读指令操作，后一次无效，从S5开始送出外部数据存储器的地址，紧接着读或写数据，读写数据期间与ALE无关，ALE不产生有效信号，所以第二个周期不产生取指令操作，见图2-13（d）。

此外还应说明，时序图中只表示了取指令操作的有关时序，而没有说明执行指令的时序。实际上每条指令都有具体的数据操作，如算术和逻辑操作一般发生在P1期间，片内存储器之间的数据传送操作发生在P2期间。

2.5.4 访问外部ROM的操作时序

如果89C51单片机扩展了外部程序存储器时，就会有访问外部存储器的操作。在访问外部ROM时，除了ALE外，还需要PSEN信号，此外还要用P0口作为低8位地址，用P2口作为高8位地址。其时序见图2-14。

如图2-14所示，P0口输出地址和数据传送是分时操作的。它先输出低8位地址，在ALE信号的作用下，低8位地址被锁存，锁存的低8位地址与P2口提供的高8位地址一起，组成16位地址指向外部ROM某单元，在PSEN有效时，从外部ROM中取出指令，再通过P0口送到单片机中，P0口完成了分时操作。

2.5.5 访问外部RAM的操作时序

图2-14所示的时序不包括访问外部RAM指令（如MOVX指令）的时序，因为访问外部RAM时的时序要有所不同。访问外部 RAM时，要进行两步操作：第一步先从外部ROM中取MOVX指令，第二步再根据MOVX指令所给出的数据选中外部RAM某单元，然后对该单元进行操作。图2-15示出了读/写外部RAM的操作时序，详细过程介绍如下。

第一个机器周期是从外部ROM取指过程，在S4P2之后，将取来的指令中的外部RAM地址送出，P0口送低8位地址，P2口送高8位地址。

在第二个机器周期中，ALE中第一个有效信号不再出现，而RD读信号有效，将外部RAM的数据送回P0口。以后尽管ALE的第二个信号出现，但没有操作进行，从而结束了第二个机器周期。

向外部RAM的写操作与读操作一样，只不过RD信号被WR信号所取代。

请注意，在访问外部RAM时，ALE丢失一个周期，所以不能用ALE作为精确的时钟输出。