2.2 MCS-51單片機時鐘電路與總線時序

無論是通用微型計算機還是單片機，CPU所有的工作都是在時鐘信號控制下進行的，每執行一條指令，CPU的控制器就要發出一系列特定的控制信號，這些控制信號在時間上的先后次序就是CPU的工作時序。

2.2.1 時鐘電路

MCS-51單片機的時鐘連接有兩種方式，一種是內部時鐘方式，但須在XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體（2～24MHz）和振蕩電容，電容C₁和C₂對頻率有微調作用，電容量的選擇范圍為5～30pF，如圖2-7（a）所示。另一種是采用外部時鐘方式，即將XTAL2引腳懸空，外部時鐘信號（外部振蕩器提供的信號）從XTAL1引腳輸入，如圖2-7（b）所示。

圖2-7 MCS-51單片機的時鐘連接方式

在單片機應用電路設計中，時鐘電路器件應該盡可能靠近CPU對應引腳。如果CPU無法正常工作，可通過示波器檢測CPU時鐘引腳是否有一定幅值的時鐘信號，如果有，則時鐘電路正常。

2.2.2 總線時序

MCS-51單片機的振蕩頻率經過內部二分頻以后得到的信號周期，稱為狀態周期，即一個狀態周期包括兩拍的時鐘周期。機器周期就是計算機完成一種基本操作所需的時間。MCS-51單片機的機器周期由6個狀態周期組成，即S₁～S₆，而每個狀態又分為兩拍，稱為P₁和P₂，因此一個機器周期中的12個振蕩周期常可表示為S₁P₁、S₁P₂、…、S₆P₁、S₆P₂。若采用12MHz的晶體振蕩器，則每個機器周期為12×106/（12×106）=1μs，若采用6MHz晶體振蕩器，則每個機器周期為2μs。

在MCS-51單片機指令系統中，有單字節指令、雙字節指令和三字節指令。每條指令的執行時間分別占用1個或幾個機器周期。單字節指令和雙字節指令都可能是單機器周期和雙機器周期的，而三字節指令都是雙機器周期的，只有乘、除法指令占用4個機器周期。

每一條指令的執行都包括取指令和執行指令兩個階段。在取指令階段，CPU從程序存儲器中取出指令操作碼及操作數，然后執行這條指令的邏輯功能。對于絕大部分指令，在整個指令執行過程中，ALE是周期性的信號，如圖2-8所示。在每個機器周期中，ALE信號出現兩次：第一次在S₁P₂和S₂P₁期間，第二次在S₄P₂和S₅P₁期間。ALE信號的有效寬度為1個S狀態。每出現一次ALE信號，CPU就進行一次取指令操作。

圖2-8 MCS-51單片機的機器周期

對于單機器周期指令，從S₁P₂開始把指令碼讀到指令寄存器。如果是雙字節指令，則在同一個機器周期的S₄讀入第二字節。對單字節指令，在S₄仍有一次讀指令碼的操作，但讀入的內容被忽略（不處理），并且程序計數器不加1，這種無效的讀取稱為假讀。在下一個機器周期的S₁才真正讀取此指令碼。