1.3 CPU时序

8051单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，分别是8051的第19脚和18脚。在XTAL1和XTAL2之间接一个石英晶体及两个电容，就可以构成稳定的自激振荡器，当振荡在6～12 MHz时通常取30pF左右的电容进行微调，如图1.7所示。晶体振荡器的振荡信号经过片内时钟发生器进行二分频，向CPU提供两相时钟信号P1和P2。时钟信号的周期称为状态时间S，它是振荡周期的两倍，在每个状态的前半周期P1信号有效，在每个状态的后半周期P2信号有效，CPU就以这两相时钟信号为基本节拍指挥单片机各部分协调工作。

CPU执行一条指令所需要的时间是以机器周期为单位的，8051单片机的一个机器周期包括12个振荡周期，分为6个S状态：S1～S6，每个状态又分为两拍，即前面介绍的P1和P2信号，因此一个机器周期中的12个振荡周期可表示为S1P1，S1P2，S2P1，…，S6P1，S6P2。当采用12 MHz的晶体振荡器时，一个机器周期为1μs。CPU执行一条指令通常需要1～4个机器周期，指令的执行速度与其需要的机器周期数直接有关，所需机器周期数越少，速度越快。8051单片机只有乘、除两条指令需要4个机器周期，其余均为单周期或双周期指令。

图1.7 8051的片内振荡器及时钟发生电路

图1.8所示为几种典型的取指令和执行周期时序，从图中可以看到，在每个机器周期之内，地址锁存信号ALE两次有效，第一次出现在S1P2和S2P1期间，第二次出现在S4P2和S5P1期间。单周期指令的执行从S1P2开始，此时操作码被锁存在指令寄存器内。若是双字节指令，则在同一机器周期的S4状态读第2个字节。若是单字节指令，在S4状态仍进行读，但操作无效，且程序计数器PC的值不加1。

图1.8 8051单片机的取指令和执行周期时序

图1.8(a)和图1.8(b)分别为单字节单周期和双字节单周期指令的时序，它们都在S6P2结束时完成操作。

图1.8(c)为单字节双周期指令的时序，在两个机器周期内进行4次操作，由于是单字节指令，所以后面的3次操作无效。

图1.8(d)为CPU访问片外数据存储器指令“MOVX”的时序，它是一条单字节双周期指令，在第一个机器周期的S5状态开始送出片外数据存储器的地址，进行数据的读/写操作。在此期间没有ALE信号，所以在第二个周期不会产生取指操作。