MCS-51单片机的指令时序

　　时序是用定时单位来描述的，MCS-51的时序单位有四个，它们分别是节拍、状态、机器周期和指令周期，接下来我们分别加以说明。

• 节拍与状态：
      我们把振荡脉冲的周期定义为节拍（为方便描述，用P表示），振荡脉冲经过二分频后即得到整个单片机工作系统的时钟信号，把时钟信号的周期定义为状态（用S表示），这样一个状态就有两个节拍，前半周期相应的节拍我们定义为1(P1)，后半周期对应的节拍定义为2(P2)。
• 机器周期：
     MCS-51有固定的机器周期，规定一个机器周期有6个状态，分别表示为S1-S6，而一个状态包含两个节拍，那么一个机器周期就有12个节拍，我们可以记着S1P1、S1P2……S6P1、S6P2，一个机器周期共包含12个振荡脉冲，即机器周期就是振荡脉冲的12分频，显然，如果使用6MHz的时钟频率，一个机器周期就是2us，而如使用12MHz的时钟频率，一个机器周期就是1us。
• 指令周期：
     执行一条指令所需要的时间称为指令周期，MCS-51的指令有单字节、双字节和三字节的，所以它们的指令周期不尽相同，也就是说它们所需的机器周期不相同，可能包括一到四个不等的机器周期（这些内容，我们将在下面的章节中加以说明）。

MCS-51的指令时序：
    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
 
    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
 
    上图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器。

　　一个机器周期包括12个时钟周期。下面让我们算一下一个机器周期是多长时间吧。设一个单片机工作于12M晶振，它的时钟周期是1/12（微秒）。它的一个机器周期是12*（1/12）也就是1微秒。（请计算一个工作于6M晶振的单片机，它的机器周期是多少）。

　　MCS-51单片机的所有指令中，有一些完成得比较快，只要一个机器周期就行了，有一些完成得比较慢，得要2个机器周期，还有两条指令要4个机器周期才行。这也不难再解，不是吗？我让你扫地的执行要完成总得比要你完成擦黑板的指令时间要长。为了恒量指令执行时间的长短，又引入一个新的概念：指令周期。所谓指令周期就是指执行一条指令的时间。INTEL对每一条指令都给出了它的指令周期数，这些数据，大部份不需要我们去记忆，但是有一些指令是需要记住的，如DJNZ指令是双周期指令。

　　下面让我们来计算刚才的延时。首先必须要知道晶振的频率，我们设所用晶振为12M，则一个机器周期就是1微秒。而DJNZ指令是双周期指令，所以执行一次要2个微秒。一共执行62500次，正好125000微秒，也就是125毫秒。

　　计算机系统有一系列的“周期”概念，区别、联系地理解这些概念至关重要。以下对时钟周期、振荡周期、机器周期、CPU周期、状态周期、指令周期、总线周期、任务周期进行简单介绍。

　　周期

　　在电子技术中，脉冲信号是一个按一定电压幅度，一定时间间隔连续发出的脉冲信号。脉冲信号之间的时间间隔称为周期；而将在单位时间（如1秒）内所产生的脉冲个数称为频率。频率是描述周期性循环信号（包括脉冲信号）在单位时间内所出现的脉冲数量多少的计量名称；频率的标准计量单位是Hz（赫）。电脑中的系统时钟就是一个典型的频率相当精确和稳定的脉冲信号发生器。

　　时钟周期

　　时钟周期，一般也称振荡周期（如果晶振的输出没有经过分频就直接作为cpu的工作时钟，则时钟周期就等于振荡周期），即CPU的晶振的工作频率的倒数，是计算机中最基本的、最小的时间单位。通常成为节拍脉冲或者T周期。对于单片机时钟周期，时钟周期是单片机的基本时间单位，两个振荡周期(始终周期)组成一个状态周期。

　　振荡周期（oscillating period）

　　在衰减振荡中，两个相邻同方向峰值之间的时间称为振荡周期Tp，振荡频率2π/Tp。在相同衰减比下，振荡周期越短或振荡频率越高，则回复时间越短，因此振荡周期(频率)反映系统响应快慢的指标。

　　机器周期

　　机器周期，一般也叫CPU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（如，取指令、存储器读、存储器写等），每一阶段完成一项工作（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。

　　CPU周期

　　又称机器周期，CPU周期定义为从内存读取一条指令字的最短时间。一个指令周期常由若干CPU周期构成。

　　状态周期

　　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）。

　　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。一个机器周期包含6个状态周期（S1-S6）,而一个状态周期又包含两个时钟振荡周期（简称时钟周期）。例：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。

　　指令周期

　　指令周期是执行一条指令所需要的时间，即CPU从内存取出一条指令并执行这条指令的时间总和。一般由若干个机器周期组成，从取指令、分析指令到执行完所需的全部时间。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。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

　　总线周期通常指的使通过总线完成一次内存读写操作或完成一次输入输出设备的读写操作所必须的时间。由于存储器和I/O端口是挂接在总线上的，CPU对存储器和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（存储器或I/O接口）进行一次访问所需时间称为一个总线周期。一个总线周期一般包含4个时钟周期，这4个时钟周期分别称4个状态即T1状态、T2状态、T3状态和T4状态。

　　任务周期

　　周期任务是指计算机系统按一定周期达到并请求运行，每次请求称为任务的一个任务实例，任务实例所属任务的起始时刻称为该任务实例的到达时刻，任务实例被置为就绪态的时刻称为该任务实例的释放时刻。