单片机:时钟周期,机器周期,指令周期

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(可以这样来理解,时钟周期就是单片机外接晶振的倒数,例如12M的晶振,它的时间周期就是1/12 us),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。对于某种单片机,若采用了1MHZ的时钟频率,则时钟周期为1us;若采用4MHZ的时钟频率,则时钟 周期为250us。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。具体计算就是1/fosc。也就是说如果晶振为1MHz,那么时钟周期就为1us;6MHz的话,就是1/6us。

8051单片机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。 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

指令周期

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,所需的机器周期也不同。通常,包含一个机器周期的指令成为单周期指令,比如CLR,MOV等等。包含两个机器周期的指令称为双周期指令。另外还有4周期指令,比如乘法和除法指令。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。

总线周期

由于存贮器和I/O端口是挂接在总线上的,CPU对存贮器和I/O接口的访问,是通过总线实现的。通常把CPU通过总线对微处理器外部(存贮器或 I/O接口)进行一次访问所需时间称为一个总线周期。

总结一下,时钟周期是最小单位,机器周期需要1个或多个时钟周期,指令周期需要1个或多个机器周期;机器周期指的是完成一个基本操作的时间,这个基本操作有时可能包含总线读写,因而包含总线周期,但是有时可能与总线读写无关,所以,并无明确的相互包含的关系。

指令周期:是CPU的关键指标,指取出并执行一条指令的时间。一般以机器周期为单位,分单指令执行周期、双指令执行周期等。现在的处理器的大部分指令(ARM、DSP)均采用单指令执行周期。

机器周期:完成一个基本操作的时间单元,如取指周期、取数周期。

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时钟周期:CPU的晶振的工作频率的倒数。

例子1:

22.1184MHZ的晶振,它的晶振周期、时钟周期和机器周期分别是多少?

以51为例,晶振22.1184M,时钟周期(晶振周期)就是(1/22.1184)μs,一个机器周期包含12个时钟周期,一个机器周期就是 0.5425μs。一个机器周期一般是一条指令花费的时间,也有些是2个机器周期的指令,DJNZ,是双 周期指令.

例子2:

1.振荡周期(时钟周期):为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。

2.机器周期:通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。

3.指令周期:是指MCU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有1~4个机器周期。

若MCU单片机外接晶振为12MHz时具体值为:

振荡周期(时钟周期)=1/12MHz=1/12μs=0.0833μs, 机器周期=12*1/12μs=1μs,指令周期=1~4μs

说明:

1.时钟周期即晶振的单位时间发出的脉冲数,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,即1/12微秒。

2.一个机器周期等于12个时钟周期,所以是1微秒。

 

 

说实话单片机的作用是真的大,我们有必要去学习它,我们可以用它去做很多东西,现在可以说只要是电子类的产片都会用到它,就连大学里参加的大赛都离不开单片机.

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