51单片机指令周期，机器周期，时钟周期详解

51单片机有指令周期，机器周期，时钟周期的说法，看似相近，但是又都不太一样，很容易混淆。还是详细分析一下。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201609/310558.htm

时钟周期：单片机外接的晶振的振荡周期就是时钟周期，时钟周期=振荡周期。比方说，80C51单片机外接了一个11.0592M的晶体振荡器，那我们就说这个单片机系统的时钟周期是1/11.0592M，这里要注意11.0592M是频率，周期是频率的倒数。

机器周期：单片机执行指令所消耗的最小时间单位。我们都知道51单片机采用的CISC(复杂指令指令集)，所以有很多条指令，并且各条指令执行的时间也可能不一样(有一样的哦)，但是它们执行的时间必须是机器周期的整数倍，这就是机器周期的意义所在。8051系列单片机又在这个基础上进行细分，将一个机器周期划分为6个状态周期，也就是S1-S6，每个状态周期又由两个节拍组成，P1和P2，而P1=P2=时钟周期。这也就是经常说的8051系列单片机的的时钟频率是晶振频率的12分频，或者是1/12，就是这个意思。现在(截至2012)新的单片机已经能做到不分频了，就是机器周期=时钟周期。

指令周期：指令周期执行某一条指令所消耗的时间，它等于机器周期的整数倍。传统的80C51单片机的指令周期大多数是单周期指令，也就是指令周期=机器周期，少部分是双周期指令。现在(截至2012)新的单片机已经能做到不分频了，并且尽量单指令周期，就是指令周期=机器周期=时钟周期。

来看这张8051单片机外部数据，这里ALE和$PSEN$的变化频率已经小于一个机器周期，如果使用C语言模拟这个信号是没有办法做到的一一对应的，所以只能尽量和上面的时序相同，周期延长。

单片机中各种周期的关系与定时器原理

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。

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。

系统时钟：

系统时钟：系统时钟就是CPU指令运行的频率，这个才是CPU真正的频率。

单片机内部所有工作，都是基于由晶振产生的同一个触发信号源，由这个信号来同步协调工作步骤，我们把这个信号称为系统时钟，系统时钟一般由晶振产生，但在单片机内部系统时钟不一定等于晶振频率，有可能小于晶振频率，也有可能大于晶振频率，具体是多少由单片机内部结构决定，正常情况和晶振频率会存在一个整数倍关系。系统时种是整个单片机工作节奏的基准，它每振荡一次，单片机就被触发执行一次操作。

一般来说,单片机只有一个时钟源.用了外部晶振,就不用内部RC,用了内部RC,就不用外部晶振.振荡器振荡,产生周期波.单片机在这样的周期波的作用一下有规律的一拍一拍的工作,波的频率越高,单片工作得就越快,波的频率越低,单片机工作得就越慢。

有了以上的概念以后，就可以正确的理解定时器的工作原理了，在8051F310单片机中，有3个定时器，如果定时器1工作在模式1下，如工作模式1下，是16位的计时器，最大数值是65535,当再加1时(=65536)，就会发生溢出，产生中断，所以如果我们要它计1000个数， 那么定时初值就是65536-1000，结果就是64536，这个值送给TH、TL，因为是16进制的，所以高位是64536/256取商，低位是64536%6取余。

再者，就是每一计数的时间是多久?一般我们取12M晶振时，一个周期刚好是1us，计数1000个就是1ms，这是因为标准的51单片机是12时钟周期的(STC有6时钟和1时钟方式)。那么，如果我们晶振是12M，就比较好算，如果是其它的，就用12去除好了。比如是6M的，那么就是12/6=2，每个计数是2us，那么你要定时1ms就只要计数500个即可以。

定时器的初值跟定时器的工作方式，跟晶振频率都有关系。一个机器周期Tcy=晶振频率X12，计数次数N=定时时间t/机器周期Tcy，那么初值就X=65536-N，得出的数化成十六进制就行了。这里是用定时器O工作方式1做例子，如果是其它工作方式，就不能是65535了。工作方式0是8192，方式2，3是256。这里有一个公式：

TH=(65536-time/(12/ft))/256

其中，time就是要延时的100ms(要取100000us)，ft是晶振频率。这个式子又可以简化成TH=(65536-time*ft/12)/256

TL=(65536-time*ft/12)%6

在一本书上还看到了这样计算定时初值的：

TH0=-(50235/256); //重装100ms定时初值

TL0=-(50235%6); ///这里使用的6M晶体，

这里是6M晶体，延时100ms，那么按上面讲的原理，6M是每个计数为2us，100ms定时就是计数50000个。

那么，定时器初值要 65536-50000=15536，转成16进是3CB0。这就是要送给TH(=3C) 和TL(=B0)的值。

程序中写 TH0=-(50235/256);其实它是这样的TH0=0x100-(50235/256); 在51中，取负数，其结果就是它的值取反+1，也可以用0x100(十进制的256)去减，结果是多少呢?结果就是3C

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