单片机中各种周期的关系与定时器原理

jf_f8pIz0xS 2018-01-22 10468

电子常识

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描述

单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等

单片机周期关系缩略图

定时器

1、时钟周期

时钟周期：即振荡周期，为外接单片机的晶振倒数，例如一个4MHZ的晶振，则时钟周期为0.25us（1/4MHZ）；

在一个时钟周期里，CPU完成一个最基本的动作。所以是计算机中最小的，最基本的时间单位。

在MCS-51中时钟周期也称振荡周期，振荡周期也称为晶振周期，振荡周期是单片机的基本时间单位。8051把一个振荡周期定义为一个节拍（用P表示），两个节拍为一个状态周期。

振荡器脉冲信号经过时钟电路二分频之后产生的单片机时钟信号的周期（用S表示）称为状态周期。故一个状态周期S包含2个节拍，前一时钟周期称为P1节拍，后一时钟周期称为P2节拍。

若时钟晶振的振荡频率为fosc，则振荡周期Tosc=（1/fosc）。如：晶振频率为12MHZ，则振荡周期Tosc=（1/12us）。

2、状态周期

在8051中，状态周期由两个时钟周期组成；一个时钟周期被称为一个节拍（P），两个时钟周期称为一个状态周期（S）。它是时钟周期的两倍。

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。具体计算为：时钟周期 X cycles。如果单片机是12周期的话，那么机器周期就是T×12。假设晶振频率为12M，单片机为12周期的话，那么机器周期就是1us。

例如外接24M晶振的单片机，他的一个机器周期=12/24M 秒;52系列单片机一个机器周期等于12个时钟周期。设晶振频率为12MHz时，52单片机是12T的单片机，即频率要12分频。12M经过分频变为1M，由T=1/f，即一个机器周期变为1us。

4、指令周期

定义为执行一条指令所需的时间。通常，包含一个机器周期的指令称为单周期指令，比如 MOV指令，CLR指令等。包含两个机器周期的指令称为双周期指令。另外还有四周期指令。

定时器

判断指令是单周期指令还是双周期指令，最可靠的是查指令表。我在网上找到了一个规律总结，此规律应按照顺序进行判断，前一条原则高于后一条（主要指2～6），按顺序检查到哪一条满足，就归属哪一类：

1、MUL、DIV：仅有的4周期指令

2、包含DPTR和PC的指令均为2周期指令

3、所有的绝对跳转和条件转移指令，均为2周期指令

4、所有包括A寄存器的指令，均为单周期指令

5、位操作指令中，ANL和ORL是2周期指令

6、所有包含立即地址的指令，除INC direct及DEC direct外，均为2周期指令

7、剩下的均为单周期指令。

定时器的工作原理

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。

定时器

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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