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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

单片机系列第七讲单片机的特殊功能寄存器

通过前面的学习，我们已知单片机的内部有ROM、有RAM、有并行I/O口，那么，除了这些东西之外，单片机内部究竟还有些什么，这些个零碎的东西怎么连在一起的，让我们来对单片机内部的寄存器作一个完整的功能分析吧！

下图中我们能看出，在51单片机内部有一个CPU用来运算、控制，有四个并行I/O口，分别是P0、P1、P2、P3，有ROM，用来存放程序，有RAM，用来存放中间结果，此外还有定时/计数器，串行I/O口，中断系统，以及一个内部的时钟电路。在一个51单片机的内部包含了这么多的东西。

对上面的图进行进一步的分析，我们已知，对并行I/O口的读写只要将数据送入到对应I/O口的锁存器就能了，那么对于定时/计数器，串行I/O口等怎么用呢？在单片机中有一些独立的存储单元是用来控制这些器件的，被称之为特殊功能寄存器（SFR）。事实上，我们已接触过P1这个特殊功能寄存器了，还有哪些呢？看下表1

符号地址功能介绍BF0HB寄存器ACCE0H累加器PSWD0H程序状态字IPB8H中断优先级控制寄存器P3B0HP3口锁存器IEA8H中断允许控制寄存器P2A0HP2口锁存器SBUF99H串行口锁存器SCON98H串行口控制寄存器P190HP1口锁存器TH18DH定时器/计数器1（高8位）TH08CH定时器/计数器1（低8位）TL18BH定时器/计数器0（高8位）TL08AH定时器/计数器0（低8位）TMOD89A定时器/计数器方式控制寄存器TCON88H定时器/计数器控制寄存器DPH83H数据地址指针（高8位）DPL82H数据地址指针（低8位）SP81H堆栈指针P080HP0口锁存器PCON87H电源控制寄存器

表1

<特殊功能寄存器地址映象表（一）>

<特殊功能寄存器地址映象表（二）>

<特殊功能寄存器地址映象表（三）>

下面，我们介绍一下几个常用的SFR，看图2。

1、ACC：累加器，常常用A表示。这是个什么东西，可不能从名字上理解，它是一个寄存器，而不是一个做加法的东西，为什么给它这么一个名字呢？或许是因为在运算器做运算时其中一个数一定是在ACC中的缘故吧。它的名字特殊，身份也特殊，稍后我们将学到指令，能发现，所有的运算类指令都离不开它。

2、B：一个寄存器。在做乘、除法时放乘数或除数，不做乘除法时，随你怎么用。

3、PSW：程序状态字。这是一个很重要的东西，里面放了CPU工作时的很多状态，借此，我们能了解CPU的当前状态，并作出对应的处理。它的各位功能请看表2

D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OVP

表2

PSW也称为标志寄存器，了解这个对于了解单片机原理非常的重要，存放各有关标志。其结构和定义如下：

下面我们逐一介绍sfr各位的用途

（1）CY：进位标志。用于表示Acc.7有否向更高位进位。8051中的运算器是一种8位的运算器，我们知道，8位运算器只能表示到0-255，如果做加法的话，两数相加可能会超过255，这样最高位就会丢失，造成运算的错误，怎么办？最高位就进到这里来。这样就没事了。

例：78H+97H（01111000+10010111）

（2）AC：辅助进位标志也叫半进位标志。用于表示Acc.3有否向Acc.4进位

例：57H+3AH（01010111+00111010）

（3）F0：用户标志位，由我们（编程人员）决定什么时候用，什么时候不用。

（4）RS1、RS0：工作寄存器组选择位。这个我们已知了。

RS1、RS0 = 00 —— 0区（00H～07H）

RS1、RS0 = 01 —— 1区（08H～0FH）

RS1、RS0 = 10 —— 2区（10H～17H）

RS1、RS0 = 11 —— 3区（18H～1FH）

（5）0V：溢出标志位。表示Acc在有符号数算术运算中的溢出，什么是溢出我们稍后再谈吧。

（6）P：奇偶校验位：它用来表示ALU运算结果中二进制数位“1”的个数的奇偶性。若为奇数，则P=1，不然为0。

例：某运算结果是78H（01111000），显然1的个数为偶数，所以P=0。

4、DPTR（DPH、DPL）：数据指针，能用它来访问外部数据存储器中的任一单元，如果不用，也能作为通用寄存器来用，由我们自已决定如何使用。16位，由两个8位寄存器DPH、DPL组成。主要用于存放一个16位地址，作为访问外部存储器（外RAM和ROM）的地址指针。

5、P0、P1、P2、P3：这个我们已经知道，是四个并行输入/输出口的寄存器。它里面的内容对应着管脚的输出。

6、SP：堆栈指针。（专用于指出堆栈顶部数据的地址。）

堆栈介绍：日常生活中，我们都注意到过这样的现象，家里洗的碗，一只一只摞起来，最晚放上去的放在最上面，而最早放上去的则放在最下面，在取的时候正好相反，先从最上面取，这种现象我们用一句话来概括：“先进后出，后进先出”。请大家想想，还有什么地方有这种现象？其实比比皆是，建筑工地上堆放的砖头、材料，仓库里放的货物，都是“先进后出，后进先出”，这实际是一种存取物品的规则，我们称之为“堆栈”。

在单片机中，我们也能在RAM中构造这样一个区域，用来存放数据，这个区域存放数据的规则就是“先进后出，后进先出”，我们称之为“堆栈”。为什么需要这样来存放数据呢？存储器本身不是能按地址来存放数据吗？对，知道了地址的确就能知道里面的内容，但如果我们需要存放的是一批数据，每一个数据都需要知道地址那不是麻烦吗？如果我们让数据一个接一个地放置，那么我们只要知道第一个数据所在地址单元就能了（看图2）如果第一个数据在27H，那么第二、三个就在28H、29H了。所以利用堆栈这种办法来放数据能简化操作

那么51中堆栈什么地方呢？单片机中能存放数据的区域有限，我们不能够专门分配一块地方做堆栈，所以就在内存（RAM）中开辟一块地方，用于堆栈，但是用内存的哪一块呢？还是不好定，因为51是一种通用的单片机，各人的实际需求各不相同，有人需要多一些堆栈，而有人则不需要那么多，所以怎么分配都不合适，怎样来解决这个问题?分不好干脆就不分了，把分的权利给用户（编程者），根据自已的需要去定吧，所以51单片机中堆栈的位置是能变化的。而这种变化就体现在SP中值的变化，看图2，SP中的值等于27H不就相当于是一个指针指向27H单元吗？当然在真正的51机中，开始指针所指的位置并非就是数据存放的位置，而是数据存放的前一个位置，比如一开始指针是指向27H单元的，那么第一个数据的位置是28H单元，而不是27H单元，为什么会这样，我们在学堆栈命令时再说明。其它的SFR，我们在用到时再介绍。