單片機(jī)中各種周期的關(guān)系與定時(shí)器原理

單片機(jī)又稱(chēng)單片微控制器，它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。

單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī)，就能起到使產(chǎn)品升級(jí)換代的功效，常在產(chǎn)品名稱(chēng)前冠以形容詞——“智能型”，如智能型洗衣機(jī)等

單片機(jī)周期關(guān)系縮略圖

1、時(shí)鐘周期

時(shí)鐘周期：即振蕩周期，為外接單片機(jī)的晶振倒數(shù)，例如一個(gè)4MHZ的晶振，則時(shí)鐘周期為0.25us（1/4MHZ）；

在一個(gè)時(shí)鐘周期里，CPU完成一個(gè)最基本的動(dòng)作。所以是計(jì)算機(jī)中最小的，最基本的時(shí)間單位。

在MCS-51中時(shí)鐘周期也稱(chēng)振蕩周期，振蕩周期也稱(chēng)為晶振周期，振蕩周期是單片機(jī)的基本時(shí)間單位。8051把一個(gè)振蕩周期定義為一個(gè)節(jié)拍（用P表示），兩個(gè)節(jié)拍為一個(gè)狀態(tài)周期。

振蕩器脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)鐘電路二分頻之后產(chǎn)生的單片機(jī)時(shí)鐘信號(hào)的周期（用S表示）稱(chēng)為狀態(tài)周期。故一個(gè)狀態(tài)周期S包含2個(gè)節(jié)拍，前一時(shí)鐘周期稱(chēng)為P1節(jié)拍，后一時(shí)鐘周期稱(chēng)為P2節(jié)拍。

若時(shí)鐘晶振的振蕩頻率為fosc，則振蕩周期Tosc=（1/fosc）。如：晶振頻率為12MHZ，則振蕩周期Tosc=（1/12us）。

2、狀態(tài)周期

在8051中，狀態(tài)周期由兩個(gè)時(shí)鐘周期組成；一個(gè)時(shí)鐘周期被稱(chēng)為一個(gè)節(jié)拍（P），兩個(gè)時(shí)鐘周期稱(chēng)為一個(gè)狀態(tài)周期（S）。它是時(shí)鐘周期的兩倍。

3、機(jī)器周期

在計(jì)算機(jī)中，為了便于管理，常把一條指令的執(zhí)行過(guò)程劃分為若干個(gè)階段，每一階段完成一項(xiàng)工作。例如，取指令、存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫(xiě)等，這每一項(xiàng)工作稱(chēng)為一個(gè)基本操作。完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間稱(chēng)為機(jī)器周期。一般情況下，一個(gè)機(jī)器周期由若干個(gè)S周期（狀態(tài)周期）組成。

8051系列單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期同6個(gè) S周期（狀態(tài)周期）組成。前面已說(shuō)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期定義為一個(gè)節(jié)拍（用P表示），二個(gè)節(jié)拍定義為一個(gè)狀態(tài)周期（用S表示），8051單片機(jī)的機(jī)器周期由6個(gè) 狀態(tài)周期組成，也就是說(shuō)一個(gè)機(jī)器周期=6個(gè)狀態(tài)周期=12個(gè)時(shí)鐘周期。 具體計(jì)算為：時(shí)鐘周期 X cycles。如果單片機(jī)是12周期的話(huà)，那么機(jī)器周期就是T×12。假設(shè)晶振頻率為12M，單片機(jī)為12周期的話(huà)，那么機(jī)器周期就是1us。

例如外接24M晶振的單片機(jī)，他的一個(gè)機(jī)器周期=12/24M 秒;52系列單片機(jī)一個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)時(shí)鐘周期。設(shè)晶振頻率為12MHz時(shí)，52單片機(jī)是12T的單片機(jī)，即頻率要12分頻。12M經(jīng)過(guò)分頻變?yōu)?M，由T=1/f，即一個(gè)機(jī)器周期變?yōu)?us。

4、指令周期

定義為執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間。通常，包含一個(gè)機(jī)器周期的指令稱(chēng)為單周期指令，比如 MOV指令，CLR指令等。包含兩個(gè)機(jī)器周期的指令稱(chēng)為雙周期指令。另外還有四周期指令。

判斷指令是單周期指令還是雙周期指令，最可靠的是查指令表。我在網(wǎng)上找到了一個(gè)規(guī)律總結(jié)，此規(guī)律應(yīng)按照順序進(jìn)行判斷，前一條原則高于后一條（主要指2～6），按順序檢查到哪一條滿(mǎn)足，就歸屬哪一類(lèi)：

1、MUL、DIV：僅有的4周期指令

2、包含DPTR和PC的指令均為2周期指令

3、所有的絕對(duì)跳轉(zhuǎn)和條件轉(zhuǎn)移指令，均為2周期指令

4、所有包括A寄存器的指令，均為單周期指令

5、位操作指令中，ANL和ORL是2周期指令

6、所有包含立即地址的指令，除INC direct及DEC direct外，均為2周期指令

7、剩下的均為單周期指令。

定時(shí)器的工作原理

系統(tǒng)時(shí)鐘

系統(tǒng)時(shí)鐘：系統(tǒng)時(shí)鐘就是CPU指令運(yùn)行的頻率，這個(gè)才是CPU真正的頻率。

單片機(jī)內(nèi)部所有工作，都是基于由晶振產(chǎn)生的同一個(gè)觸發(fā)信號(hào)源，由這個(gè)信號(hào)來(lái)同步協(xié)調(diào)工作步驟，我們把這個(gè)信號(hào)稱(chēng)為系統(tǒng)時(shí)鐘，系統(tǒng)時(shí)鐘一般由晶振產(chǎn)生，但在單片機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘不一定等于晶振頻率，有可能小于晶振頻率，也有可能大于晶振頻率，具體是多少由單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，正常情況和晶振頻率會(huì)存在一個(gè)整數(shù)倍關(guān)系。系統(tǒng)時(shí)種是整個(gè)單片機(jī)工作節(jié)奏的基準(zhǔn)，它每振蕩一次，單片機(jī)就被觸發(fā)執(zhí)行一次操作。

一般來(lái)說(shuō)，單片機(jī)只有一個(gè)時(shí)鐘源。用了外部晶振，就不用內(nèi)部RC，用了內(nèi)部RC，就不用外部晶振。振蕩器振蕩，產(chǎn)生周期波。單片機(jī)在這樣的周期波的作用一下有規(guī)律的一拍一拍的工作，波的頻率越高，單片工作得就越快，波的頻率越低，單片機(jī)工作得就越慢。

有了以上的概念以后，就可以正確的理解定時(shí)器的工作原理了，在8051F310單片機(jī)中，有3個(gè)定時(shí)器，如果定時(shí)器1工作在模式1下，如工作模式1下，是16位的計(jì)時(shí)器，最大數(shù)值是65535，當(dāng)再加1時(shí)（=65536），就會(huì)發(fā)生溢出，產(chǎn)生中斷，所以如果我們要它計(jì)1000個(gè)數(shù)， 那么定時(shí)初值就是65536-1000，結(jié)果就是64536，這個(gè)值送給TH、TL，因?yàn)槭?6進(jìn)制的，所以高位是64536/256取商，低位是64536%6取余。

再者，就是每一計(jì)數(shù)的時(shí)間是多久？一般我們?nèi)?2M晶振時(shí)，一個(gè)周期剛好是1us，計(jì)數(shù)1000個(gè)就是1ms，這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的51單片機(jī)是12時(shí)鐘周期的（STC有6時(shí)鐘和1時(shí)鐘方式）。那么，如果我們晶振是12M，就比較好算，如果是其它的，就用12去除好了。比如是6M的，那么就是12/6=2，每個(gè)計(jì)數(shù)是2us，那么你要定時(shí)1ms就只要計(jì)數(shù)500個(gè)即可以。

定時(shí)器的初值跟定時(shí)器的工作方式，跟晶振頻率都有關(guān)系。一個(gè)機(jī)器周期Tcy=晶振頻率X12，計(jì)數(shù)次數(shù)N=定時(shí)時(shí)間t/機(jī)器周期Tcy，那么初值就X=65536-N，得出的數(shù)化成十六進(jìn)制就行了。這里是用定時(shí)器O工作方式1做例子，如果是其它工作方式，就不能是65535了。工作方式0是8192，方式2，3是256。這里有一個(gè)公式：

TH=（65536-time/（12/ft））/256

其中，time就是要延時(shí)的100ms（要取100000us），ft是晶振頻率。這個(gè)式子又可以簡(jiǎn)化成

TH=（65536-time*ft/12）/256

TL=（65536-time*ft/12）%6

在一本書(shū)上還看到了這樣計(jì)算定時(shí)初值的：

TH0=-（50235/256）; //重裝100ms定時(shí)初值

TL0=-（50235%6）; ///這里使用的6M晶體，

這里是6M晶體，延時(shí)100ms，那么按上面講的原理，6M是每個(gè)計(jì)數(shù)為2us，100ms定時(shí)就是計(jì)數(shù)50000個(gè)。

那么，定時(shí)器初值要 65536-50000=15536，轉(zhuǎn)成16進(jìn)是3CB0。這就是要送給TH（=3C） 和TL（=B0）的值。

程序中寫(xiě) TH0=-（50235/256）;其實(shí)它是這樣的TH0=0x100-（50235/256）; 在51中，取負(fù)數(shù)，其結(jié)果就是它的值取反+1，也可以用0x100（十進(jìn)制的256）去減，結(jié)果是多少呢？結(jié)果就是3C。