单片机的几个周期的理解

news/2024/11/25 12:50:14/

时钟周期:

时钟周期也叫振荡周期或晶振周期,即晶振的单位时间发出的脉冲数,一般有外部的振晶产生,比如12MHZ=12×10的6次方,即每秒发出12000000个脉冲信号,那么发出一个脉冲的时间就是时钟周期,也就是1/12微秒。通常也叫做系统时钟周期。是计算机中最基本的、最小的时间单位。

状态周期:

在8051单片机中把一个时钟周期定义为一个节拍(用P表示),二个节拍定义为一个状态周期(用S表示)。

机器周期:

在计算机中,为了便于管理,常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段,每一阶段完成一项工作。例如,取指令、存储器读、存储器写等,这每一项工作称为一个基本操作。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。一般情况下,一个机器周期由若干个S周期(状态周期)组成。8051系列单片机的一个机器周期同6个S周期(状态周期)组成。前面已说过一个时钟周期定义为一个节拍(用P表示),二个节拍定义为一个状态周期(用S表示),8051单片机的机器周期由6个状态周期组成,也就是说一个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期。

在标准的51单片机中,一般情况下,一个机器周期等于12个时钟周期,也就是机器周期=12*时钟周期,(上面讲到的原因)如果是12MHZ,那么机器周期=1微秒。单片机工作时,是一条一条地从RoM中取指令,然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间,称之为一个机器周期,这是一个时间基准。

机器周期不仅对于指令执行有着重要的意义,而且机器周期也是单片机定时器和计数器的时间基准。例如一个单片机选择了12MHZ晶振,那么当定时器的数值加1时,实际经过的时间就是1us,这就是单片机的定时原理。

但是在8051F310中,CIP-51 微控制器内核采用流水线结构,与标准的 8051 结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的 8051 中,除 MUL和 DIV以外所有指令都需要 12 或 24 个系统时钟周期,最大系统时钟频率为 12-24MHz。而对于 CIP-51 内核,70%的指令的执行时间为 1或2个系统时钟周期,只有 4 条指令的执行时间大于 4 个系统时钟周期。所以在计算定时器的值时要注意这里的变化。

指令周期:

指令周期是执行一条指令所需要的时间,一般由若干个机器周期组成。指令不同,所需的机器周期数也不同。对于一些简单的的单字节指令,在取指令周期中,指令取出到指令寄存器后,立即译码执行,不再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令,例如转移指令、乘法指令,则需要两个或者两个以上的机器周期。

 



一:单片机的定时器的计数速率

标准51单片机是12T的,就是说12个时钟周期(晶振周期,例如12M的,周期是1/12M,单位秒),机器做一个指令周期,刚好就是1/12M*12=1uS,常见指令例如_nop_就是一个周期,刚好1uS,其他的大多多于一个周期,乘除法更多。所以如果计算指令时间可以这样算。

而现在51核的单片机工艺质量上去后,频率大大提高,增强型51有6T的,如果接12M的话,一个nop就只需要0.51uS,如果是STC的部分单片机1T的话,那只需要1/12uS。

单片机的晶振不是随便选,要看技术手册,看最高频率,看支持类型等等。一般12M,接串口的话11.0592M。如果是PIC,很多4M,8M。

不是越高越好,对很多不需要大量处理,只是控制的情况,为了增加可靠性,降低编程难度,降低功耗,往往可选用低频的,例如实时时钟的32768晶振。

故  计算nT单片机的指令周期公式为:  T   =   1/晶振周期*n

例如: 使用12M晶振的1T单片机的指令周期为:  T = 1 / 12 * 1 = 1 / 12 us

 



二:1T和12T单片机的编程所需要注意的

定1T单片机的计时器是兼容传统12T单片机的。也就是说只是执行一般的指令会快12倍,但是它的定时器却是先进行12分频,再计时的,与原来的一样。只是用软件延时的话,就要改。

 



三: 指令周期,时钟周期,机器周期这三者之间有什么联系

(1)1T、6T、12T这个原本叫机械周期,现在更多人称为 指令周期;以前标准51单片机,是12T模式的。后来大量单片机厂家的介入,开始对单片机进行提速,于是就出现了 6T、1T模式的单片机。

(2)时钟周期:是指振荡源的周期,如 外部晶振 10MHz(假设有),那么它的时钟周期就是 1/10MHz=0.1us;

(3)机械周期:单片机执行一单位指令所需要的 时钟周期 个数,如 1T,就表示,需要 1个时钟周期;12T 即为 12个时钟周期。这些都只是 一单位指令的时间(如自增、自减 等),多单位指令时间进行倍乘(如赋值语句需要2个机械周期,即乘以2倍)

(4)指令周期:早期更多的是用来描述 某条指令执行 需要多少个机械周期,(如自增、自减为 1个机械周期,赋值 2个机械周期,判断 4个机械周期)。随着C语言的大量普 及,现在,更多的人用它来代替 机械周期 这个名词。



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