一、概述

单片机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的。这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。

CPU控制器实际上是复杂的同步时序电路，所有的工作都是在时钟信号的控制下进行的。每执行一条指令，CPU控制器都要发出一系列特定的控制信号，这些控制信号在时间上的相互关系就是CPU的时序。一个单片机系统要想正常工作，除了要做到电平匹配、功率匹配外，还要做到时序匹配。

二、单片机时钟电路

单片机执行指令的过程可分为取指令、分析指令和执行指令三个步骤，每个步骤又有许多微操作组成，这些微操作必须在一个统一时钟控制下才能正确的顺序执行。时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。

MCS-51的时钟信号可以由两种方式产生：一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路，产生时钟信号；另一种为外部方式，时钟信号由外部引入。

2.1 内部时钟方式

MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为放大器的输入端和输出端。该放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器（简称晶振）一起构成自激振荡器，如图1所示。常用调节C1或C2的容量大小对频率进行微调，电容容量通常为20-100pF，当时钟频率为12MHz时典型值为30pF。

图1 MCS-51内部时钟方式

2.2 外部时钟方式

在由多片单片机组成的系统中，为使各单片机之间的时钟信号严格同步，应当采用公用外部脉冲信号作为各单片机振荡脉冲。这时，外部方波脉冲信号经XTAL2引脚接入，其连接方式如图2所示。

图2 MCS-51外部时钟方式

三、各时间周期含义及其分析

为了保证各部件间的同步工作，单片机内部电路应在唯一的时钟信号下严格地控时序进行工作。为了便于对CPU时序进行分析，一般按指令的执行过程规定了几种周期，即时钟周期、机器周期和指令周期，下文将分别予以介绍。

3.1 时钟周期

时钟周期也称为振荡周期，定义为时钟脉冲的倒数，在单片机中也就等于晶振的倒数。是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。时钟周期是单片机的基本时间单位。51单片机振荡脉冲经十二分频成为时钟信号。若时钟晶振的振荡频率为Fosc，则时钟周期Tosc=（1/Fosc）*12。（即为振荡频率的倒数的12倍）。如：晶振频率为12MHZ，则时钟周期Tosc=（1/12μs）12=1μs。

由于时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲，它控制着计算机的工作节奏（使计算机的每一步都统一到它的步调上来）。显然，对同一种机型的计算机，时钟频率越高，计算机的工作速度就越快。

3.2 状态周期与节拍

CPU从一个状态转换到另一个状态所需要的时间称为状态周期。单片机的一个状态周期由两个时钟周期组成，又称为由两个节拍组成，每个节拍需要一个时钟周期。振荡脉冲的周期定义为节拍（为方便描述，用P表示），这样一个状态就有两个节拍，前半周期相应的节拍我们定义为1(P1)，后半周期对应的节拍定义为2(P2)。

3.3 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6个S周期（状态周期）组成，依次表示为S1、S2、…、S6。

由于一个状态又包括两个节拍，因此一个机器周期共12个节拍，分别记作：S1P1、S1P2、…、S6P2。也就是一个机器周期等于12个振荡周期。节拍、状态周期与机器周期的关系如图3所示。

图3 MCS-51节拍、状态周期与机器周期的关系

3.4 指令周期

CPU 的工作是不断地取指令和执行指令，以完成数据的运算、传送和输入/输出等操作。CPU从取指令开始至该指令执行完所需的时间称为一个指令周期。它是MCS-51最大的时序单位，一条指令周期应在1-4个机器周期范围内。不同指令的指令周期也是不相同的。指令周期以机器周期为单位，而机器周期是完成一个规定操作所需的时间。

如果单片机执行一条指令占用一个机器周期，则这条指令为单周期指令，如简单的数据传输指令；如果执行一条指令需要两个机器周期，称为双周期指令，如乘法运算指令。单片机的运算速度与程序执行所需的指令周期有关，占用机器周期数越少的指令则单片机运行速度越快。在51系列单片机的汇编指令中，共有单周期指令、双周期指令和四周期指令三种。四周期指令只有乘法和除法指令两条，其余均为单周期和双周期指令。

单片机执行单周期的时序见图4（a）和（b）所示，其中（a）为单字节单周期指令，（b）为双字节单周期指令。

图4 MCS-51指令周期时序图

单字节和双字节指令都在S1P1期间由CPU读取指令，将指令码读入指令寄存器，同时程序计数器PC加一。在S4P2期间，单字节指令读取的下一条指令会丢弃不用，但程序计数器PC值也加一；如果是双字节指令，CPU在S4P2期间读取指令的第二字节，同时程序计数器PC值也加一。两种指令都在S6P2时序结束时完成。

单片机执行单字节双机器周期指令的时序见图4（c）所示，双周期指令在两个机器周期内产生四次读操作码操作，第一次读取操作码，PC自动加一，后三次读取都无效，自然丢弃，程序计数器PC的值不会变化。

四、总结

若单片机外接晶振频率为Fosc=12MHZ，根据上文论述各周期之间的关系，得出四个基本周期的具体数值为：

(1)时钟周期=1/12μs。

(2)状态周期=1/6μs。

(3)机器周期=1μs。

(4)指令周期=1～4μs

准确理解单片机时序、时钟周期、机器周期、指令周期这些概念的含义，对正确地设定定时器/计数器工作参数、按照时序对外围芯片读写操作，设计出相对稳定可靠、精度较高的单片机控制系统具有十分重要的意义。