Question

“51单片机时钟周期”、“机器周期”和“指令周期”如何定义的？

Answer 1

1. 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。    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)。

2. 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。 (例如外接24M晶振的单片机,他的一个机器周期=12/24M 秒)

3. 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。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。通常含一个机器周期的指令称为单周期指令,包含两个机器周期的指令称为双周期指令。

4. 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:

1. 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；

2. 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；

3. 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；

4. 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。时钟周期:CPU的晶振的工作频率的倒数。