基础篇：关于单片机工作的基本时序介绍

时序就是 CPU 总线信号在时间上的顺序关系。CPU 的控制器实质上是一个复杂的同 步时序电路，所有工作都是在时钟信号控制下进行的。每执行一条指令，CPU 的控制器都要发出一系列特定的控制信号，这些控制信号在时间上的相互关系就是 CPU 的时序。

CPU 发出的时序控制信号有两大类。一类是用于单片机内部协调控制的，但对用户来说，并不直接接触这些信号，可不必了解太多。另一类时序信号是通过单片机控制总线送到片外，形成对片外的各种 I/O 接 口、RAM 和 EPROM 等芯片工作的协调控制，对于这部分时序信号用户应该关心。

1.机器周期和指令周期

下面先介绍几个时序概念：

(1) 振荡周期：也称时钟周期，是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。

(2) 状态周期：每个状态周期为时钟周期的 2 倍，是振荡周期经二分频后得到的。

(3) 机器周期：一个机器周期包含 6 个状态周期 S1~S6 ，也就是 12 个时钟周期。在一个机器周期内，CPU 可以完成一个独立的操作。

(4) 指令周期：它是指 CPU 完成一条操作所需的全部时间。每条指令执行时间都是由一个或几个机器周期组成的。MCS 51 系统中，有单周期指令、双周期指令和四周期指令。

2.MCS 51 指令的取指/执行时序

MCS 51 单片机取指/执行时序如图 2.7 所示，每条指令的执行都包括取指和执行两 个阶段。在取指阶段，CPU 从内部或外部 ROM 中取出指令操作码及操作数，然后再执行 这条指令。通常，在每个机器周期内 ALE 信号出现两次，时刻为 S1P2 和 S4P2 ，信号的有效宽度为一个 S 状态。每出现一次 ALE 信号，CPU 就依次进行取指操作，但并不是每条 指令在 ALE 生效时都能有效地读取指令。如果是单个指令，在 S4 期间仍有读操作，但读出的字节被丢弃，且读后的 PC 值不加 1 。如果是双周期指令，则在 S4P2 期间读第二字节， 在 S6P2 时结束指令。

图 2.7(a)、(b) 分别为单字节单周期指令和双字节单周期指令的时序。

图 2.7(c) 为单字节双周期指令的时序，它在两个机器周期内发生 4 次读操作，后 3 次 读操作是无效的。

图 2.7(d) 为指令 MOVX 操作 时序 ，它是一条单字节双周期指令。第一机器周期 S5 开始时，送出外部数据存储器的地址，随后读或写数据。读写期间在 ALE 端不输出有效信号，在第二机器周期，即外部数据存储器已被寻址和选通后，也不产生取指操作。

当 CPU 对外部数据存储器 RAM 读写时，ALE 不是周期信号。

3. 访问外部 ROM 和 RAM 的时序

如果指令是从外部 ROM 中读取 ，除 了 ALE 信号之外，控制信号还有PSEN 。此外，还要用到 P0 和 P2 口，P0 口分时用做低 8 位地址和数据总线，P2 口用做高 8 位地址总 线。相应的时序图如图 2.8 所示。

其过程如下：

(1) 在 S1P2 时 ALE 信号有效;

(2) 在 P0 口送出 ROM 地址低 8 位，在 P2 口送出 ROM 地址高 8 位。低 8 位地址信号只持续到 S2 结束，故在外部要用锁存器加以锁存，ALE 为地址锁存信号 。高 8 位地址在整个读指令过程中都有效，不必再接锁存器，到 S2P2 前 ALE 失效。

(3) 在 S3P1 时刻 PSEN开始有效，用它来选通外部 ROM 的使用端，所选中 ROM 单元的内容，从 P0 口读入到 CPU，随后 PSEN 信号失效。

(4) 在 S4P2 后开始第二次读入，过程和第一次相同。

访问外部数据 RAM 时，使用的控制信号有 ALE 和RD(读) 或WR(写)，P0 和 P2 口仍然要用，作为传送 RAM 地址线和读写数据线。读外部数据 RAM 的 时序如 图 2.9 所示， 其过程如下：

(1) 第一次 ALE 有效到第二次 ALE 出现前的过程和读外部 ROM 相同。

(2) 第二次 ALE 有效后，P0 口、P2 口分别送出 RAM 单元的低 8 位和高 8 位地址。

(3) 在第二个机器周期第一个 ALE 不再 出现，此时PSEN为高 电平，第二个机器周期的 S1P1 时RD开始有效，选通 RAM 芯片，从 P0 口读出 RAM 单元数据。

(4) 第二个机器周期 的第二个 ALE 出现时 ，也对外部 ROM 进行读操作，但为无效操作。

若对外部 RAM 进行写操作，则用WR信号来选通 RAM，其余过程与读操作相似，写外部数据 RAM 的时序如图 2.10 所示。