基礎(chǔ)篇：關(guān)于單片機(jī)工作的基本時(shí)序介紹

時(shí)序就是 CPU 總線信號(hào)在時(shí)間上的順序關(guān)系。CPU 的控制器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)復(fù)雜的同 步時(shí)序電路，所有工作都是在時(shí)鐘信號(hào)控制下進(jìn)行的。每執(zhí)行一條指令，CPU 的控制器都要發(fā)出一系列特定的控制信號(hào)，這些控制信號(hào)在時(shí)間上的相互關(guān)系就是 CPU 的時(shí)序。

CPU 發(fā)出的時(shí)序控制信號(hào)有兩大類。一類是用于單片機(jī)內(nèi)部協(xié)調(diào)控制的，但對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，并不直接接觸這些信號(hào)，可不必了解太多。另一類時(shí)序信號(hào)是通過(guò)單片機(jī)控制總線送到片外，形成對(duì)片外的各種 I/O 接 口、RAM 和 EPROM 等芯片工作的協(xié)調(diào)控制，對(duì)于這部分時(shí)序信號(hào)用戶應(yīng)該關(guān)心。

1.機(jī)器周期和指令周期

下面先介紹幾個(gè)時(shí)序概念：

(1) 振蕩周期：也稱時(shí)鐘周期，是指為單片機(jī)提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)的振蕩源的周期。

(2) 狀態(tài)周期：每個(gè)狀態(tài)周期為時(shí)鐘周期的 2 倍，是振蕩周期經(jīng)二分頻后得到的。

(3) 機(jī)器周期：一個(gè)機(jī)器周期包含 6 個(gè)狀態(tài)周期 S1~S6 ，也就是 12 個(gè)時(shí)鐘周期。在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)，CPU 可以完成一個(gè)獨(dú)立的操作。

(4) 指令周期：它是指 CPU 完成一條操作所需的全部時(shí)間。每條指令執(zhí)行時(shí)間都是由一個(gè)或幾個(gè)機(jī)器周期組成的。MCS 51 系統(tǒng)中，有單周期指令、雙周期指令和四周期指令。

2.MCS 51 指令的取指/執(zhí)行時(shí)序

MCS 51 單片機(jī)取指/執(zhí)行時(shí)序如圖 2.7 所示，每條指令的執(zhí)行都包括取指和執(zhí)行兩 個(gè)階段。在取指階段，CPU 從內(nèi)部或外部 ROM 中取出指令操作碼及操作數(shù)，然后再執(zhí)行 這條指令。通常，在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi) ALE 信號(hào)出現(xiàn)兩次，時(shí)刻為 S1P2 和 S4P2 ，信號(hào)的有效寬度為一個(gè) S 狀態(tài)。每出現(xiàn)一次 ALE 信號(hào)，CPU 就依次進(jìn)行取指操作，但并不是每條 指令在 ALE 生效時(shí)都能有效地讀取指令。如果是單個(gè)指令，在 S4 期間仍有讀操作，但讀出的字節(jié)被丟棄，且讀后的 PC 值不加 1 。如果是雙周期指令，則在 S4P2 期間讀第二字節(jié)， 在 S6P2 時(shí)結(jié)束指令。

圖 2.7(a)、(b) 分別為單字節(jié)單周期指令和雙字節(jié)單周期指令的時(shí)序。

圖 2.7(c) 為單字節(jié)雙周期指令的時(shí)序，它在兩個(gè)機(jī)器周期內(nèi)發(fā)生 4 次讀操作，后 3 次 讀操作是無(wú)效的。

圖 2.7(d) 為指令 MOVX 操作 時(shí)序 ，它是一條單字節(jié)雙周期指令。第一機(jī)器周期 S5 開(kāi)始時(shí)，送出外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址，隨后讀或?qū)憯?shù)據(jù)。讀寫(xiě)期間在 ALE 端不輸出有效信號(hào)，在第二機(jī)器周期，即外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器已被尋址和選通后，也不產(chǎn)生取指操作。

當(dāng) CPU 對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 讀寫(xiě)時(shí)，ALE 不是周期信號(hào)。

3. 訪問(wèn)外部 ROM 和 RAM 的時(shí)序

如果指令是從外部 ROM 中讀取 ，除 了 ALE 信號(hào)之外，控制信號(hào)還有PSEN 。此外，還要用到 P0 和 P2 口，P0 口分時(shí)用做低 8 位地址和數(shù)據(jù)總線，P2 口用做高 8 位地址總 線。相應(yīng)的時(shí)序圖如圖 2.8 所示。

其過(guò)程如下：

(1) 在 S1P2 時(shí) ALE 信號(hào)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 位地址信號(hào)只持續(xù)到 S2 結(jié)束，故在外部要用鎖存器加以鎖存，ALE 為地址鎖存信號(hào) 。高 8 位地址在整個(gè)讀指令過(guò)程中都有效，不必再接鎖存器，到 S2P2 前 ALE 失效。

(3) 在 S3P1 時(shí)刻 PSEN開(kāi)始有效，用它來(lái)選通外部 ROM 的使用端，所選中 ROM 單元的內(nèi)容，從 P0 口讀入到 CPU，隨后 PSEN 信號(hào)失效。

(4) 在 S4P2 后開(kāi)始第二次讀入，過(guò)程和第一次相同。

訪問(wèn)外部數(shù)據(jù) RAM 時(shí)，使用的控制信號(hào)有 ALE 和RD(讀) 或WR(寫(xiě))，P0 和 P2 口仍然要用，作為傳送 RAM 地址線和讀寫(xiě)數(shù)據(jù)線。讀外部數(shù)據(jù) RAM 的 時(shí)序如 圖 2.9 所示， 其過(guò)程如下：

(1) 第一次 ALE 有效到第二次 ALE 出現(xiàn)前的過(guò)程和讀外部 ROM 相同。

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

(3) 在第二個(gè)機(jī)器周期第一個(gè) ALE 不再 出現(xiàn)，此時(shí)PSEN為高 電平，第二個(gè)機(jī)器周期的 S1P1 時(shí)RD開(kāi)始有效，選通 RAM 芯片，從 P0 口讀出 RAM 單元數(shù)據(jù)。

(4) 第二個(gè)機(jī)器周期 的第二個(gè) ALE 出現(xiàn)時(shí) ，也對(duì)外部 ROM 進(jìn)行讀操作，但為無(wú)效操作。

若對(duì)外部 RAM 進(jìn)行寫(xiě)操作，則用WR信號(hào)來(lái)選通 RAM，其余過(guò)程與讀操作相似，寫(xiě)外部數(shù)據(jù) RAM 的時(shí)序如圖 2.10 所示。