單片機(jī)總線中的周期概念及其時(shí)鐘時(shí)間估算及編程應(yīng)用示例

最近一直在想怎么測(cè)單片機(jī)的總線時(shí)鐘，于是想出了一個(gè)方法，也不知是否正確，權(quán)且估算一下吧。

先說(shuō)明一下時(shí)鐘周期，機(jī)器周期，總線周期的區(qū)別吧：

時(shí)鐘周期:?時(shí)鐘周期也稱為振蕩周期,定義為時(shí)鐘脈沖的倒數(shù)(可以這樣來(lái)理解,時(shí)鐘周期就是單片機(jī)外接晶振的倒數(shù),例如12M的晶振,它的時(shí)間周期就是1/12 us),是計(jì)算機(jī)中最基本的、最小的時(shí)間單位。

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。(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)

指令周期:??? 執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間,一般由若干個(gè)機(jī)器周期組成。指令不同,所需的機(jī)器周期也不同。? ???? 對(duì)于一些簡(jiǎn)單的的單字節(jié)指令,在取指令周期中,指令取出到指令寄存器后,立即譯碼執(zhí)行,不再需要其它的機(jī)器周期。對(duì)于一些比較復(fù)雜的指令,例如轉(zhuǎn)移指令、乘法指令,則需要兩個(gè)或者兩個(gè)以上的機(jī)器周期。??? 通常含一個(gè)機(jī)器周期的指令稱為單周期指令,包含兩個(gè)機(jī)器周期的指令稱為雙周期指令。

總線周期:?由于存貯器和I/O端口是掛接在總線上的,CPU對(duì)存貯器和I/O接口的訪問(wèn),是通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)的。通常把CPU通過(guò)總線對(duì)微處理器外部(存貯器或 I/O接口)進(jìn)行一次訪問(wèn)所需時(shí)間稱為一個(gè)總線周期。

總結(jié):時(shí)鐘周期是最小單位,機(jī)器周期需要1個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘周期,指令周期需要1個(gè)或多個(gè)機(jī)器周期;機(jī)器周期指的是完成一個(gè)基本操作的時(shí)間,這個(gè)基本操作有時(shí)可能包含總線讀寫(xiě),因而包含總線周期,但是有時(shí)可能與總線讀寫(xiě)無(wú)關(guān),所以,并無(wú)明確的相互包含的關(guān)系。指令周期:是CPU的關(guān)鍵指標(biāo),指取出并執(zhí)行一條指令的時(shí)間。一般以機(jī)器周期為單位,分單指令執(zhí)行周期、雙指令執(zhí)行周期等?，F(xiàn)在的處理器的大部分指令(ARM、DSP)均采用單指令執(zhí)行周期。機(jī)器周期:完成一個(gè)基本操作的時(shí)間單元,如取指周期、取數(shù)周期。時(shí)鐘周期:CPU的晶振的工作頻率的倒數(shù)。

一個(gè)nop所占的時(shí)間為一個(gè)機(jī)器指令的時(shí)間，8051中為1us。

單片機(jī)型號(hào)為飛思卡爾MC9s12xep100，在main函數(shù)里放置時(shí)鐘初始化函數(shù)，同時(shí)初始化一個(gè)引腳，并設(shè)置為輸出，然后主函數(shù)放置該引腳電平的翻轉(zhuǎn)函數(shù)。大致如下；

void main() { MCUInit(); DDRP_DDRP4=1;//PTP4設(shè)置為輸出 while(1) { PTP_PTP4=~PTP_PTP4; } }然后用示波器測(cè)量該引腳翻轉(zhuǎn)電平所用的時(shí)間，以下是部分?jǐn)?shù)據(jù)：（示波器精度有限）

總線頻率—>耗時(shí) ? ?≈ (1/總線頻率)*10

16MHZ ?—>620ns?≈ 625ns

20MHZ ?—>500ns?≈ 500ns

32MHZ ?—>312ns?≈ 312ns

40MHZ ?—>252ns?≈ 250ns

48MHZ ?—>208ns?≈ 208ns

60MHZ ?—>168ns?≈ 166ns

通過(guò)上面的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)耗時(shí)與?(1/總線頻率)*10基本相等，至于為何乘10，不知何因。權(quán)且當(dāng)做粗略估算吧。

----------------------------------------------------------------單片機(jī)9s08dz60------------------------------------------------------------------------------

順便記錄下對(duì)dz60的測(cè)試

總線頻率—>翻轉(zhuǎn)電平耗時(shí) ? ?≈ (1/總線頻率)*10 ? asm("nop")耗時(shí)

16MHZ ?—>680ns ? ? ? ? ? ? ??≈ 625ns ? ? ? ? ? ? ? ? 370ns

8MHZ ?—>1.36us ? ? ? ? ? ? ??≈ 1.25us ? ? ? ? ? ? ? ? 740ns

4MHZ ?—>2.76us ? ? ? ? ? ? ??≈ 2.50us ? ? ? ? ? ? ? ? 1.5us

其中asm("nop")耗時(shí)的計(jì)算方法如下：

void main() { MCUInit(); DDRP_DDRP4=1;//PTP4設(shè)置為輸出 while(1) { PTP_PTP4=1; asm("nop"); PTP_PTP4=0; } }下面附dz60時(shí)鐘初始化函數(shù)（晶振8MHZ，總線8MHZ） void MCUInit(void) { SOPT1 = 0x20; //取消看門狗，使能停止模式 SOPT2 = 0X00; //寫(xiě)入一次SOPT2 /* 初始化時(shí)鐘，使用PEE模式，晶振為8Mhz，總線頻率為8mhz(datasheet P151) */ /*----------------------------FEI -> FBE----------------------------------*/ MCGC2 = 0x36; //總線分頻為1.P133. while (!MCGSC_OSCINIT); //EREFS位選擇的晶體是否完成初始化.P134. MCGC1 = 0xB8; //選擇使用外部晶振.P131. while (MCGSC_IREFST); //等待外部參考成為參考時(shí)鐘的當(dāng)前源 while(MCGSC_CLKST != 2); //等待外部參考 時(shí)鐘成為 MCGOUT /*----------------------------FBE -> BLPE---------------------------------*/ MCGC2 = 0x3E; //設(shè)置LP位為1（此時(shí)已經(jīng)進(jìn)入BLPE模式） MCGC1 = 0x98;//0x98->RDIV=8;0x90->RDIV=4; //更改RDIV MCGC3 = 0x44;//0x44->VDIV=16;0x48->VDIV=32 //選擇PLL，VDIV為4 while(!MCGSC_PLLST); //PLLS時(shí)鐘的當(dāng)前源是否PLL /*----------------------------BLPE -> PBE---------------------------------*/ MCGC2 = 0x36; //設(shè)置LP位為0（此時(shí)已經(jīng)進(jìn)入BLPE模式） while (!MCGSC_LOCK); //等待PLL獲得鎖定 /*----------------------------PBE -> PEE----------------------------------*/ MCGC1 = 0x18; //選擇PLL為系統(tǒng)時(shí)鐘 while(MCGSC_CLKST != 3); //等待時(shí)鐘穩(wěn)定 }MCGOUT=(8MHZ/8)*16/1=16MHZ，總線時(shí)鐘為8MHZ