MCS-51單片機(jī)的指令時(shí)序

時(shí)序是用定時(shí)單位來(lái)描述的，MCS-51的時(shí)序單位有四個(gè)，它們分別是節(jié)拍、狀態(tài)、機(jī)器周期和指令周期，接下來(lái)我們分別加以說(shuō)明。

·節(jié)拍與狀態(tài)：

我們把振蕩脈沖的周期定義為節(jié)拍(為方便描述，用P表示)，振蕩脈沖經(jīng)過(guò)二分頻后即得到整個(gè)單片機(jī)工作系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)，把時(shí)鐘信號(hào)的周期定義為狀態(tài)(用S表示)，這樣一個(gè)狀態(tài)就有兩個(gè)節(jié)拍，前半周期相應(yīng)的節(jié)拍我們定義為1(P1)，后半周期對(duì)應(yīng)的節(jié)拍定義為2(P2)。

·機(jī)器周期：

MCS-51有固定的機(jī)器周期，規(guī)定一個(gè)機(jī)器周期有6個(gè)狀態(tài)，分別表示為S1-S6，而一個(gè)狀態(tài)包含兩個(gè)節(jié)拍，那么一個(gè)機(jī)器周期就有12個(gè)節(jié)拍，我們可以記著S1P1、S1P2……S6P1、S6P2，一個(gè)機(jī)器周期共包含12個(gè)振蕩脈沖，即機(jī)器周期就是振蕩脈沖的12分頻，顯然，如果使用6MHz的時(shí)鐘頻率，一個(gè)機(jī)器周期就是2us，而如使用12MHz的時(shí)鐘頻率，一個(gè)機(jī)器周期就是1us。

·指令周期：

執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間稱為指令周期，MCS-51的指令有單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)的，所以它們的指令周期不盡相同，也就是說(shuō)它們所需的機(jī)器周期不相同，可能包括一到四個(gè)不等的機(jī)器周期(這些內(nèi)容，我們將在下面的章節(jié)中加以說(shuō)明)。

·MCS-51的指令時(shí)序：

MCS-51指令系統(tǒng)中，按它們的長(zhǎng)度可分為單字節(jié)指令、雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令。執(zhí)行這些指令需要的時(shí)間是不同的，也就是它們所需的機(jī)器周期是不同的，有下面幾種形式：

·單字節(jié)指令單機(jī)器周期

·單字節(jié)指令雙機(jī)器周期

·雙字節(jié)指令單機(jī)器周期

·雙字節(jié)指令雙機(jī)器周期

·三字節(jié)指令雙機(jī)器周期

·單字節(jié)指令四機(jī)器周期(如單字節(jié)的乘除法指令)

下圖是MCS-51系列單片機(jī)的指令時(shí)序圖：

上圖是單周期和雙周期取指及執(zhí)行時(shí)序，圖中的ALE脈沖是為了鎖存地址的選通信號(hào)，顯然，每出現(xiàn)一次該信號(hào)單片機(jī)即進(jìn)行一次讀指令操作。從時(shí)序圖中可看出，該信號(hào)是時(shí)鐘頻率6分頻后得到，在一個(gè)機(jī)器周期中，ALE信號(hào)兩次有效，第一次在S1P2和S2P1期間，第二次在S4P2和S5P1期間。

接下來(lái)我們分別對(duì)幾個(gè)典型的指令時(shí)序加以說(shuō)明。

·單字節(jié)單周期指令：

單字節(jié)單周期指令只進(jìn)行一次讀指令操作，當(dāng)?shù)诙€(gè)ALE信號(hào)有效時(shí)，PC并不加1，那么讀出的還是原指令，屬于一次無(wú)效的讀操作。

·雙字節(jié)單周期指令：

這類指令兩次的ALE信號(hào)都是有效的，只是第一個(gè)ALE信號(hào)有效時(shí)讀的是操作碼，第二個(gè)ALE信號(hào)有效時(shí)讀的是操作數(shù)。

·單字節(jié)雙周期指令：

兩個(gè)機(jī)器周期需進(jìn)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(wú)效操作。

單字節(jié)雙周期指令有一種特殊的情況，象MOVX這類指令，執(zhí)行這類指令時(shí)，先在ROM中讀取指令，然后對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀或?qū)懖僮?，頭一個(gè)機(jī)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(wú)效的。在第二個(gè)指令周期時(shí)，則訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這時(shí)，ALE信號(hào)對(duì)其操作無(wú)影響，即不會(huì)再有讀指令操作動(dòng)作。

上頁(yè)的時(shí)序圖中，我們只描述了指令的讀取狀態(tài)，而沒(méi)有畫(huà)出指令執(zhí)行時(shí)序，因?yàn)槊織l指令都包含了具體的操作數(shù)，而操作數(shù)類型種類繁多，這里不便列出，有興趣的讀者可參閱有關(guān)書(shū)籍。

·外部程序存儲(chǔ)器(ROM)讀時(shí)序

右圖8051外部程序存儲(chǔ)器讀時(shí)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(jié)束前，P0口上的低8位地址是有效的，之后出現(xiàn)在P0口上的就不再是低8位的地址信號(hào)，而是指令數(shù)據(jù)信號(hào)，當(dāng)然地址信號(hào)與指令數(shù)據(jù)信號(hào)之間有一段緩沖的過(guò)度時(shí)間，這就要求，在S2其間必須把低8位的地址信號(hào)鎖存起來(lái)，這時(shí)是用ALE選通脈沖去控制鎖存器把低8位地址予以鎖存，而P2口只輸出地址信號(hào)，而沒(méi)有指令數(shù)據(jù)信號(hào)，整個(gè)機(jī)器周期地址信號(hào)都是有效的，因而無(wú)需鎖存這一地址信號(hào)。

從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令，必須有兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行控制，除了上述的ALE信號(hào)，還有一個(gè)PSEN(外部ROM讀選通脈沖)，上圖顯然可看出，PSEN從S3P1開(kāi)始有效，直到將地址信號(hào)送出和外部程序存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)讀入CPU后方才失效。而又從S4P2開(kāi)始執(zhí)行第二個(gè)讀指令操作。

·外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)讀時(shí)序

右圖8051外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀寫(xiě)時(shí)序圖，從ROM中讀取的需執(zhí)行的指令，而CPU對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的訪問(wèn)是對(duì)RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀或?qū)懖僮鳎瑢儆谥噶畹膱?zhí)行周期，值得一提的是，讀或?qū)懯莾蓚€(gè)不同的機(jī)器周期，但他們的時(shí)序卻是相似的，我們只對(duì)RAM的讀時(shí)序進(jìn)行分析。

上一個(gè)機(jī)器周期是取指階段，是從ROM中讀取指令數(shù)據(jù)，接著的下個(gè)周期才開(kāi)始讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM中的內(nèi)容。

在S4結(jié)束后，先把需讀取RAM中的地址放到總線上，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。當(dāng)RD選通脈沖有效時(shí)，將RAM的數(shù)據(jù)通過(guò)P0數(shù)據(jù)總線讀進(jìn)CPU。第二個(gè)機(jī)器周期的ALE信號(hào)仍然出現(xiàn)，進(jìn)行一次外部ROM的讀操作，但是這一次的讀操作屬于無(wú)效操作。

對(duì)外部RAM進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，CPU輸出的則是WR(寫(xiě)選通信號(hào))，將數(shù)據(jù)通過(guò)P0數(shù)據(jù)總線寫(xiě)入外部存儲(chǔ)。

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