51单片机的时钟及总线时序和总线扩展
2019/06/26 22:30:10
说到51单片机(one-board computer)的时钟首先想到51时怎么工作的呢?微型控制器要想工作必须要有一个“动力”，对于51单片机(one-board computer)来说，这个“动力”就是时钟源。一般应用上会外接一个12MHz的晶振作为时钟源。
一般第一种接法用的比较多。选择内部震荡方式时晶振旁边有两个小电容。这两个电容叫晶振的负载电容，分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，一般在几十皮发。它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度。晶振的负载电容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C式中Cd,Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,Cic(集成电路内部电容)+△C(PCB上电容)经验值为3至5pf。
各种逻辑芯片的晶振引脚可以等效为电容三点式振荡器。晶振引脚的内部通常是一个反相器, 或者是奇数个反相器串联。在晶振输出引脚 XO 和晶振输入引脚 XI 之间用一个电阻连接, 对于 CMOS 芯片通常是数 M 到数十M 欧之间。 很多芯片的引脚内部已经包含了这个电阻, 引脚外部就不用接了。这个电阻是为了使反相器在振荡初始时处与线性状态, 反相器就如同一个有很大增益的放大器, 以便于起振。
为什么要选择12MHz的晶振作为时钟源呢?
这就要说51单片机(one-board computer)内部的几个周期了：指令周期、机器周期、时钟周期、振荡周期。
振荡周期是指为单片机(one-board computer)提供定时信号的振荡源的周期或外部输入时钟的周期。
时钟周期又称作状态周期或状态时间S，它是振荡周期的两倍，分为P1节拍和P2节拍，通常在P1节拍完成算术逻辑操作，在P2节拍完成内部寄存器之间的数据传送操作。(注意P1 和P2的相位关系 )
一个机器周期由6个状态组成，如果把一条指令的执行过程分作几个基本操作，则将完成一个基本操作所需的时间称作机器周期。单片机(one-board computer)的单周期指令执行时间就为一个机器周期。
指令周期是执行一条指令所需的全部时间。MCS-51单片机(one-board computer)的指令周期通常由1、2、4个机器周期组成。
对于12MHz的晶振，提供了12M的振荡周期，6M的时钟周期，1M的机器周期。所以此时51单片机(one-board computer)的单指令周期为(1/1M)s=1us.这个1us有什么好处呢?后面大家会知道单片机(one-board computer)应用中会有各种各样的时序，很多时候需要用一小段程序延时来达到时序要求，而1us的单指令周期比较方便计算延时时间以及确定每条语句的执行时间。应该明确的是单片机(one-board computer)执行每条语句用的时间是非常确定的，是1us就是1us不会多一点也不会少一点。
下面说说51单片机(one-board computer)的总线扩展：
这种结构就是上一篇说到的三总线结构，如图所示
1、数据总线
51 单片机(one-board computer)的数据总线为P0 口，CPU 从P0 口送出和读回数据。
2、地址总线
51 系列单片机(one-board computer)的地址总线为16 位。
为了节约芯片引脚，采用P0 口复用方式，除了作为数据总线外，在ALE 信号时序匹配下，通过外置的数据锁存器，在总线访问前半周期从P0口送出低8位地址，后半周期从P0 口送出8 位数据。
高8位地址则通过P2 口送出。
3、控制总线
51 系列单片机(one-board computer)的控制总线包括(RD)读控制信号P3.7 和(WR)写控制信号P3.6 等，二者分别作为总线模式下数据读和数据写的使能信号。
51 单片机(one-board computer)总线时序如图 所示。
从图2 中可以看出，完成一次总线( 读写) 操作周期为T，P0 口分时复用，在T0 期间，P0 口送出低8 位地址，在ALE 的下降沿完成数据锁存，送出低8位地址信号。在T1 期间，P0 口作为数据总线使用，送出或读入数据，数据的读写操作在读、写控制信号的低电平期间完成。
需要注意的是，在控制信号( 读、写信号) 有效期间，P2 口送出高8位地址，配合数据锁存器输出的低8 位地址，实现16 位地址总线，即64kB 范围的内的寻址。
由于CPU不可能同时执行读和写操作，所以读、写信号不可能同时有效。
采用这种总线结构按照规定的时序能够最大程度的利用单片机(one-board computer)的全部地址线。这就是单片机(one-board computer)的编址。编址分为线选法和译码法，译码法分为全译码、部分译码。线选法的优点是简单但是非常浪费地址线;全译码法能够最大程度的利用全部地址线，但是电路很复杂需要一些与非门的配合才行。一般用部分译码法性价比最高，尤其是在外接了存储芯片时部分译码法很方便。