AT89S51單片機的內部時鐘電路設計

時鐘電路用于產生AT89S51單片機工作時所必需的控制信號。AT89S51單片機的內部電路正是在時鐘信號的控制下，嚴格地按時序執行指令進行工作。

在執行指令時，CPU首先到程序存儲器中取出需要執行的指令操作碼，然后譯碼，并由時序電路產生一系列控制信號完成指令所規定的操作。CPU發出的時序信號有兩類，一類用于對片內各個功能部件的控制，用戶無需了解；另一類用于對片外存儲器或I/O口的控制，這部分時序對于分析、設計硬件接口電路至關重要，這也是單片機應用系統設計者普遍關心和重視的問題。

時鐘電路設計

AT89S51單片機各功能部件的運行都以時鐘控制信號為基準，有條不紊、一拍一拍地工作。

因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統的穩定性。常用的時鐘電路有兩種方式，一種是內部時鐘方式，另一種是外部時鐘方式。

1．內部時鐘方式

AT89S51內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，它的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體和微調電容，構成一個穩定的自激振蕩器，圖2-13是AT89S51內部時鐘方式的電路

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電路中的電容C1和C2的典型值通常選擇為30 pF。該電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩定性和起振的快速性。晶體振蕩頻率的范圍通常是在1.2～12 MHz。晶體的頻率越高，系統的時鐘頻率越高，單片機的運行速度也就越快。但反過來，運行速度快對存儲器的速度要求就高，對印制電路板的工藝要求也高，即要求線間的寄生電容要小。晶體和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩定、可靠地工作。為了提高溫度穩定性，應采用溫度穩定性能好的電容。

AT89S51常選擇振蕩頻率6 MHz或12 MHz的石英晶體。隨著集成電路制造工藝技術的發展，單片機的時鐘頻率也在逐步提高，AT89S51和AT89S52芯片的時鐘最高頻率已達33MHz。

2．外部時鐘方式

外部時鐘方式使用現成的外部振蕩器產生脈沖信號，常用于多片AT89S51單片機同時工作，以便于多片AT89S51單片機之間的同步，一般為低于12 MHz的方波。

外部時鐘源直接接到XTAL1端，XTAL2端懸空，其電路如圖2-14所示

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3．時鐘信號的輸出

當使用片內振蕩器時，XTAL1、XTAL2引腳還能為應用系統中的其他芯片提供時鐘，但需增加驅動能力。其引出的方式有兩種，如圖2-15所示

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機器周期、指令周期與指令時序

單片機執行的指令均是在CPU控制器的時序控制電路的控制下進行的，各種時序均與時鐘周期有關。

1．時鐘周期

時鐘周期是單片機時鐘控制信號的基本時間單位。若時鐘晶體的振蕩頻率為fosc，則時鐘周期Tosc= l/fosc如fosc=6 MHz，Tosc=166.7 ns。

2．機器周期

CPU完成一個基本操作所需要的時間稱為機器周期。單片機中常把執行一條指令的過程分為幾個機器周期。每個機器周期完成一個基本操作，如取指令、讀或寫數據等。AT89S51單片機的每12個時鐘周期為一個機器周期，即Tcy=12/fosc。若fosc=6 MHz，Tcy=2 μs； fosc=12 MHz，Tcy=1μs。

AT89S51的一個機器周期包括12個時鐘周期，分為6個狀態：Sl～S6。每個狀態又分為兩拍：Pl和P2。因此，一個機器周期中的12個時鐘周期表示為SIP1、SIP2、S2Pl、S2P2、…、S6P2，如圖2-16所示

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3．指令周期

指令周期是執行一條指令所需的時間。AT89S51單片機中指令按字節來分，可分為單字節、雙字節、三字節指令，因此執行一條指令的時間也不同。對于簡單的單字節指令，取出指令立即執行，只需一個機器周期的時間。而有些復雜的指令，如轉移、乘、除指令則需兩個或多個機器周期。

從指令的執行時間看，單字節和雙字節指令一般為單機器周期和雙機器周期，三字節指令都是雙機器周期，只有乘、除指令占用4個機器周期。