MCS-51單片機的指令時序

admin @ 2014-03-14 , reply:0

時序是用定時單位來描述的,MCS-51的時序單位有四個,它們分別是節拍、狀態、機器周期和指令周期,接下來我們分別加以說明。

    ·節拍與狀態:
    我們把振蕩脈衝的周期定義為節拍(為方便描述,用P表示),振蕩脈衝經過二分頻后即得到整個單片機工作系統的時鐘信號,把時鐘信號的周期定義為狀態(用S表示),這樣一個狀態就有兩個節拍,前半周期相應的節拍我們定義為1(P1),後半周期對應的節拍定義為2(P2)。

    ·機器周期:
    MCS-51有固定的機器周期,規疾一個機器周期有6個狀態,分別表示為S1-S6,而一個狀態包含兩個節拍,那麼一個機器周期就有12個節拍,我們可以記著S1P1、S1P2……S6P1、S6P2,一個機器周期共包含12個振蕩脈衝,即機器周期就是振蕩脈衝的12分頻,顯然,如果使用6MHz的時鐘頻率,一個機器周期就是2us,而如使用12MHz的時鐘頻率,一個機器周期就是1us。

    ·指令周期:
    執行一條指令所需要的時間稱為指令周期,MCS-51的指令有單位元組、雙位元組和三位元組的,所以它們的指令周期不盡相同,也就是說它們所需的機器周期不相同,可能包括一到四個不等的機器周期(這些內容,我們將在下面的章節中加以說明)。

    ·MCS-51的指令時序:
    MCS-51指令系統中,按它們的長度可分為單位元組指令、雙位元組指令和三位元組指令。執行這些指令需要的時間是不同的,也就是它們所需的機器周期是不同的,有下面幾種形式:

    ·單位元組指令單機器周期
    ·單位元組指令雙機器周期
    ·雙位元組指令單機器周期
    ·雙位元組指令雙機器周期
    ·三位元組指令雙機器周期
    ·單位元組指令四機器周期(如單位元組的乘除法指令)

    下圖是MCS-51系列單片機的指令時序圖:

接下來我們分別對幾個典型的指令時序加以說明。

    ·單位元組單周期指令:
    單位元組單周期指令只進行一次讀指令操作,當第二個ALE信號有效時,PC並不加1,那麼讀出的還是原指令,屬於一次無效的讀操作。

    ·雙位元組單周期指令:
    這類指令兩次的ALE信號都是有效的,只是第一個ALE信號有效時讀的是操作碼,第二個ALE信號有效時讀的是操作數。

    ·單位元組雙周期指令:
    兩個機器周期需進行四讀指令操作,但只有一次讀操作是有效的,后三次的讀操作均為無效操作。
    單位元組雙周期指令有一種特殊的情況,象MOVX這類指令,執行這類指令時,先在ROM中讀取指令,然後對外部數據存儲器進行讀或寫操作,頭一個機器周期的第一次讀指令的操作碼為有效,而第二次讀指令操作則為無效的。在第二個指令周期時,則訪問外部數據存儲器,這時,ALE信號對其操作無影響,即不會再有讀指令操作動作。

    上頁的時序圖中,我們只描述了指令的讀取狀態,而沒有畫出指令執行時序,因為每條指令都包含了具體的操作數,而操作數類型種類繁多,這裡不便列出,有興趣的讀者可參閱有關書籍。
    ·外部程序存儲器(ROM)讀時序
    右圖8051外部程序存儲器讀時序圖,從圖中可看出,P0口提供低8位地址,P2口提供高8位地址,S2結束前,P0口上的低8位地址是有效的,之後出現在P0口上的就不再是低8位的地址信號,而是指令數據信號,當然地址信號與指令數據信號之間有一段緩衝的過度時間,這就要求,在S2其間必須把低8位的地址信號鎖存起來,這時是用ALE選通脈衝去控制鎖存器把低8位地址予以鎖存,而P2口只輸出地址信號,而沒有指令數據信號,整個機器周期地址信號都是有效的,因而無需鎖存這一地址信號。
 
    ·外部數據存儲器(RAM)讀時序
    右圖8051外部數據存儲器讀寫時序圖,從ROM中讀取的需執行的指令,而CPU對外部數據存儲的訪問是對RAM進行數據的讀或寫操作,屬於指令的執行周期,值得一提的是,讀或寫是兩個不同的機器周期,但他們的時序卻是相似的,我們只對RAM的讀時序進行分析。
    上一個機器周期是取指階段,是從ROM中讀取指令數據,接著的下個周期才開始讀取外部數據存儲器RAM中的內容。
 



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