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　　右图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　　右图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