快速讀懂單片機(jī)時(shí)序圖

我們都知道在學(xué)校是通過鈴聲來控制所有班級(jí)的上下課時(shí)間，那個(gè)單片機(jī)是通過什么樣的辦法進(jìn)行取指令，執(zhí)行指令和其它操作的呢？在這里引入了一個(gè)時(shí)序的概念。

一、時(shí)鐘電路

單片機(jī)時(shí)鐘電路有三種方式：

1、單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端，XTAL1和XTAL2需外接上晶體和合適的電容。

2、有的單片機(jī)內(nèi)部也自帶時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。

3、單片機(jī)管腳XTAL2直接接晶振。

二、周期

1、時(shí)鐘周期

時(shí)鐘電路產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的周期我們叫時(shí)鐘周期（振蕩周期）。

單片機(jī)通電后就產(chǎn)生了固定標(biāo)稱值的脈沖信號(hào)，單片機(jī)就是在脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下順序地從ROM中（程序存儲(chǔ)器）取出指令一條一條的順序執(zhí)行，然后進(jìn)行一系列的微操作控制，來完成各種指定的動(dòng)作。

2、機(jī)器周期

單片機(jī)每訪問一次存儲(chǔ)器的時(shí)間我們把它稱為一個(gè)機(jī)器周期，它是一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)就象我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫拿胍粯?。單片機(jī)中一個(gè)機(jī)器周期包括12個(gè)振蕩周期。振蕩周期就是振蕩源的周期也就是我們使用的晶振的時(shí)間周期。一個(gè)12M的晶振它的時(shí)間周期是1/12微秒，那么使用12M晶振的單片機(jī)它的一個(gè)機(jī)器周期就應(yīng)該等于12*1/12微秒，也就是1微秒。

3、指令周期

單片機(jī)中有些指令只要一個(gè)機(jī)器周期而有些指令則需要兩個(gè)或三個(gè)機(jī)器周期另外還有兩條指令需要4個(gè)機(jī)器周期。如何衡量指令執(zhí)行時(shí)間的長(zhǎng)短我們就要用到一個(gè)新的概念：指令周期，即執(zhí)行一條指令所需的機(jī)器周期。

三、時(shí)序

對(duì)于芯片開發(fā)使用來說，時(shí)序圖是較為核心也較為重要的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。在廠家給出的芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中，時(shí)序圖也是非常重要的參數(shù)細(xì)節(jié)。開發(fā)者拿到一款芯片時(shí)，首先需要做的就是閱讀其數(shù)據(jù)手冊(cè)，對(duì)上面的內(nèi)容進(jìn)行提取和掌握。因此能夠順利的閱讀并了解到單片機(jī)時(shí)序圖想要傳達(dá)的意思是非常關(guān)鍵的。

單片機(jī)時(shí)序是指單片機(jī)執(zhí)行指令時(shí)應(yīng)發(fā)出的控制信號(hào)的時(shí)間序列。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。它是一系列具有時(shí)間順序的脈沖信號(hào)。

CPU發(fā)出的時(shí)序有兩類：一類用于片內(nèi)各功能部件的控制，它們是芯片設(shè)計(jì)師關(guān)注的問題，對(duì)用戶沒有什么意義。另一類用于片外存儲(chǔ)器或I/O端口的控制，需要通過器件的控制引腳送到片外，這部分時(shí)序?qū)Ψ治?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1751/" target="_blank">硬件電路的原理至關(guān)重要，也是軟件編程遵循的原則，需要認(rèn)真掌握。

CPU發(fā)出的時(shí)序有兩類：一類用于片內(nèi)各功能部件的控制，它們是芯片設(shè)計(jì)師關(guān)注的問題，對(duì)用戶沒有什么意義。另一類用于單片機(jī)外部芯片的控制，這部分時(shí)序?qū)Ψ治鲇布娐返脑碇陵P(guān)重要，也是軟件編程遵循的原則。

操作時(shí)序永遠(yuǎn)使用是任何一片IC芯片的最主要的內(nèi)容。一個(gè)芯片的所有使用細(xì)節(jié)都會(huì)在它的官方器件手冊(cè)上包含。所以使用一個(gè)器件事情，要充分做好的第一件事就是要把它的器件手冊(cè)上有用的內(nèi)容提取，掌握其工作時(shí)序。

在這里我們以液晶1602為例，分析其操作時(shí)序。其基本時(shí)序有讀狀態(tài)，寫指令，讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)。

為了方便大家理解，這里以1602為例進(jìn)行講解，1602的引腳是很整齊的SIP單列直插封裝，所以器件手冊(cè)只給出了引腳的功能數(shù)據(jù)表：

這里，我們需要關(guān)注1602的幾個(gè)管腳，分別是RS，RW，E，D0...D7。由上面的說明我們可以知道：

RS：數(shù)據(jù)/命令（狀態(tài)）選擇端，當(dāng)此腳為高電平時(shí)，可以對(duì)1602進(jìn)行數(shù)據(jù)字節(jié)的傳輸操作，而此腳為低電平時(shí)，進(jìn)行命令（狀態(tài)）字節(jié)的傳輸操作。

RW：讀寫選擇端，當(dāng)此腳為高電平可對(duì)LCD1602進(jìn)行讀數(shù)據(jù)操作，反之進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作。

E：使能信號(hào)，其實(shí)是LCD1602的數(shù)據(jù)控制時(shí)鐘信號(hào)，利用該信號(hào)的上升沿實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD1602的數(shù)據(jù)傳輸。

D0...D7：8位并行數(shù)據(jù)口。

在此，我們分析兩個(gè)寫時(shí)序：寫命令和寫數(shù)據(jù)。

1、當(dāng)我們要寫指令字，設(shè)置LCD1602的工作方式時(shí)：需要把RS置為低電平，RW置為低電平，然后將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)口D0~D7，最后E引腳一個(gè)高脈沖將數(shù)據(jù)寫入。

2、當(dāng)我們要寫入數(shù)據(jù)字，在1602上實(shí)現(xiàn)顯示時(shí)：需要把RS置為高電平，RW置為低電平，然后將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)口D0~D7，最后E引腳一個(gè)高脈沖將數(shù)據(jù)寫入。

開發(fā)者只需要關(guān)注以下幾個(gè)管腳：

3腳：VL，液晶顯示偏壓信號(hào)，用于調(diào)整LCD1602的顯示對(duì)比度，一般會(huì)外接電位器用以調(diào)整偏壓信號(hào)，注意此腳電壓為0時(shí)可以得到最強(qiáng)的對(duì)比度。

4腳：RS，數(shù)據(jù)/命令選擇端，當(dāng)此腳為高電平時(shí)，可以對(duì)1602進(jìn)行數(shù)據(jù)字節(jié)的傳輸操作，而此腳為低電平時(shí)，則是進(jìn)行命令字節(jié)的傳輸操作。命令字節(jié)，即是用來對(duì)LCD1602的一些工作方式作設(shè)置的字節(jié);數(shù)據(jù)字節(jié)，即使用以在1602上顯示的字節(jié)。值得一提的是，LCD1602的數(shù)據(jù)是8位的。

5腳：R/W，讀寫選擇端。當(dāng)此腳為高電平可對(duì)LCD1602進(jìn)行讀數(shù)據(jù)操作，反之進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作。筆者認(rèn)為，此腳其實(shí)用處不大，直接接地永久置為低電平也不會(huì)影響其正常工作。但是尚未經(jīng)過復(fù)雜系統(tǒng)驗(yàn)證，保留此意見。

6腳：E，使能信號(hào)，其實(shí)是LCD1602的數(shù)據(jù)控制時(shí)鐘信號(hào)，利用該信號(hào)的上升沿實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD1602的數(shù)據(jù)傳輸。

7~14腳：8位并行數(shù)據(jù)口，使得對(duì)LCD1602的數(shù)據(jù)讀寫大為方便。

LCD1602的操作時(shí)序

在此，可以先不讀出它的數(shù)據(jù)的狀態(tài)或者數(shù)據(jù)本身，所以只需要看兩個(gè)寫時(shí)序：

①當(dāng)要寫指令字，設(shè)置LCD1602的工作方式時(shí)：需要把RS置為低電平，RW置為低電平，然后將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)口D0~D7，最后E引腳一個(gè)高脈沖將數(shù)據(jù)寫入。

②當(dāng)要寫入數(shù)據(jù)字，在1602上實(shí)現(xiàn)顯示時(shí)：需要把RS置為高電平，RW置為低電平，然后將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)口D0~D7，最后E引腳一個(gè)高脈沖將數(shù)據(jù)寫入。

實(shí)際上寫指令和寫數(shù)據(jù)，差別僅僅在于RS的電平不一樣而已。以下是LCD1602的時(shí)序圖：

只要慢慢學(xué)會(huì)看時(shí)序圖，要知道操作一個(gè)器件的精華便蘊(yùn)藏在其中，看懂看準(zhǔn)了時(shí)序，再操控這個(gè)芯片就是非常容易的事了。這里使用1602作為例子主要是因?yàn)?602的時(shí)序是目前最簡(jiǎn)單的時(shí)序之一。

看時(shí)序圖需要注意的問題：

1、注意時(shí)間軸，從左往右的方向?yàn)闀r(shí)間正向軸，即時(shí)間在增長(zhǎng)。

2、時(shí)序圖最左邊一般是某一根引腳的標(biāo)識(shí)，表示此行圖線體現(xiàn)該引腳的變化，上圖分別標(biāo)明了RS、R/W、E、DB0~DB7四類引腳的時(shí)序變化。

3、有線交叉狀的部分，表示電平在變化。

4、兩條平行線分別對(duì)應(yīng)高低電平，如上圖右上角所示。

5、密封的菱形部分，表示數(shù)據(jù)有效，Valid Data這個(gè)詞也顯示了這點(diǎn)。

6、時(shí)序圖里各個(gè)引腳的電平變化，基于的時(shí)間軸是一致的。一定要嚴(yán)格按照時(shí)間軸的增長(zhǎng)方向來精確地觀察時(shí)序圖。要讓器件嚴(yán)格的遵守時(shí)序圖的變化。

7、時(shí)間的標(biāo)注，也是個(gè)十分重要的信息，這些時(shí)間的標(biāo)注表明了某些狀態(tài)所要維持的最短或最長(zhǎng)時(shí)間。因?yàn)槠骷墓ぷ魉俣纫彩怯邢薜?，一般都跟不上主控芯片的速度，所以它們直接之間要有時(shí)序配合。下面是時(shí)序參數(shù)表：

需要十分嚴(yán)重注意的是，時(shí)序圖里各個(gè)引腳的電平變化，基于的時(shí)間軸是一致的，一定要嚴(yán)格按照時(shí)間軸的增長(zhǎng)方向來精確地觀察時(shí)序圖，要讓器件嚴(yán)格的遵守時(shí)序圖的變化，在類似于18B20這樣的單總線器件對(duì)此要求尤為嚴(yán)格。

時(shí)間標(biāo)注：

細(xì)心的朋友或許注意到了文中關(guān)于時(shí)間的標(biāo)注，這也是個(gè)十分重要的信息，這些時(shí)間的標(biāo)注表明了某些狀態(tài)所要維持的最短或最長(zhǎng)時(shí)間。因?yàn)槠骷墓ぷ魉俣纫彩怯邢薜?，一般都跟不上主控芯片的速度，所以它們直接之間要有時(shí)序配合。下面是時(shí)序參數(shù)表：

開發(fā)者要注意估計(jì)主控芯片的指令時(shí)間，可以在官方數(shù)據(jù)手冊(cè)上查到MCU的一些級(jí)別參數(shù)。比如現(xiàn)在用AVRM16做為主控芯片，外部12MHz晶振，(1/12MHz)s是振蕩周期，而不是時(shí)鐘周期，因?yàn)闀r(shí)鐘周期(狀態(tài)周期)等于兩個(gè)振蕩周期，換句話說就是對(duì)振動(dòng)頻率進(jìn)行“二分頻”的振蕩信號(hào)，所以(2/12MHz)s才是晶振為12MHz時(shí)的時(shí)鐘周期。

以上給的時(shí)間參數(shù)全部是ns級(jí)別的，所以即便在程序里不加延時(shí)程序，也應(yīng)該可以很好的配合LCD1602的時(shí)序要求了。怎么看這個(gè)表呢?很簡(jiǎn)單，在時(shí)序圖里可以找到TR1，對(duì)應(yīng)時(shí)序參數(shù)表，可以查到這個(gè)是E上升沿/下降沿時(shí)間，最大值為25ns，表示E引腳上的電平變化，必須在最大為25ns之內(nèi)的時(shí)間完成。

以上介紹的這些內(nèi)容，雖然是以LCD1602為例，但這僅僅是為了幫助大家進(jìn)行理解，其中提到的參數(shù)是大部分單片機(jī)都會(huì)有的，因此大家可以通過本文中給予的解讀方式來套用到其他單片機(jī)當(dāng)中，大部分的單片機(jī)時(shí)序圖都會(huì)遵循文中給出的規(guī)則，當(dāng)大家漸漸掌握其中的內(nèi)容后，就可以發(fā)現(xiàn)其實(shí)看懂單片機(jī)的時(shí)序圖其實(shí)并不難。

現(xiàn)在我來解讀我對(duì)這個(gè)時(shí)序圖的理解：

當(dāng)要寫命令字節(jié)的時(shí)候，時(shí)間由左往右，RS變?yōu)榈碗娖?，R/W變?yōu)榈碗娖剑⒁饪词荝S的狀態(tài)先變化完成。然后這時(shí)，DB0~DB7上數(shù)據(jù)進(jìn)入有效階段，接著E引腳有一個(gè)整脈沖的跳變，接著要維持時(shí)間最小值為tpw=400ns的E脈沖寬度。然后E引腳負(fù)跳變，RS電平變化，R/W電平變化。這樣便是一個(gè)完整的LCD1602寫命令的時(shí)序。

審核編輯：湯梓紅