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单片机中各种周期的关系与定时器原理

单片机 时钟周期 定时器 作者:admin 来源:不详 发布时间:2018-05-18 20:55:06   浏览:8

我们现来理解几个比较重要的概念:

时钟周期:

时钟周期也叫振荡周期或晶振周期,即晶振的单位时间发出的脉冲数,一般有外部的振晶产生,比如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,也就是1/12微秒。通常也叫做系统时钟周期。是计算机中最基本的、最小的时间单位。

在8051单片机中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。

在标准的51单片机中,一般情况下,一个机器周期等于12个时钟周期,也就是机器周期=12*时钟周期,(上面讲到的原因)如果是12MHZ,那么机器周期=1微秒。单片机工作时,是一条一条地从RoM中取指令,然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间,称之为一个机器周期,这是一个时间基准。

机器周期不仅对于指令执行有着重要的意义,而且机器周期也是单片机定时器和计数器的时间基准。例如一个单片机选择了12MHZ晶振,那么当定时器的数值加1时,实际经过的时间就是1us,这就是单片机的定时原理。

但是在8051F310中,CIP-51 微控制器内核采用流水线结构,与标准的 8051 结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的 8051 中,除 MUL和 DIV以外所有指令都需要 12 或 24 个系统时钟周期,最大系统时钟频率为 12-24MHz。而对于 CIP-51 内核,70%的指令的执行时间为 1或2个系统时钟周期,只有 4 条指令的执行时间大于 4 个系统时钟周期。 所以在计算定时器的值时要注意这里的变化。

指令周期

指令周期是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,所需的机器周期数也不同。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。

系统时钟:

系统时钟:系统时钟就是CPU指令运行的频率,这个才是CPU真正的频率。

单片机内部所有工作,都是基于由晶振产生的同一个触发信号源,由这个信号来同步协调工作步骤,我们把这个信号称为系统时钟,系统时钟一般由晶振产生,但在单片机内部系统时钟不一定等于晶振频率,有可能小于晶振频率,也有可能大于晶振频率,具体是多少由单片机内部结构决定,正常情况和晶振频率会存在一个整数倍关系。系统时种是整个单片机工作节奏的基准,它每振荡一次,单片机就被触发执行一次操作。

一般来说,单片机只有一个时钟源.用了外部晶振,就不用内部RC,用了内部RC,就不用外部晶振.振荡器振荡,产生周期波.单片机在这样的周期波的作用一下有规律的一拍一拍的工作,波的频率越高,单片工作得就越快,波的频率越低,单片机工作得就越慢。

有了以上的概念以后,就可以正确的理解定时器的工作原理了,在8051F310单片机中,有3个定时器,如果定时器1工作在模式1下,如工作模式1下,是16位的计时器,最大数值是65535,当再加1时(=65536),就会发生溢出,产生中断,所以如果我们要它计1000个数, 那么定时初值就是65536-1000,结果就是64536,这个值送给TH、TL,因为是16进制的,所以高位是64536/256取商,低位是64536%6取余。

再者,就是每一计数的时间是多久?一般我们取12M晶振时,一个周期刚好是1us,计数1000个就是1ms,这是因为标准的51单片机是12时钟周期的(STC有6时钟和1时钟方式)。那么,如果我们晶振是12M,就比较好算,如果是其它的,就用12去除好了。比如是6M的,那么就是12/6=2,每个计数是2us,那么你要定时1ms就只要计数500个即可以。

定时器的初值跟定时器的工作方式,跟晶振频率都有关系。一个机器周期Tcy=晶振频率X12,计数次数N=定时时间t/机器周期Tcy,那么初值就X=65536-N,得出的数化成十六进制就行了。这里是用定时器O工作方式1做例子,如果是其它工作方式,就不能是65535了。工作方式0是8192,方式2,3是256。这里有一个公式:

TH=(65536-time/(12/ft))/256

其中,time就是要延时的100ms(要取100000us),ft是晶振频率。这个式子又可以简化成

TH=(65536-time*ft/12)/256

TL=(65536-time*ft/12)%6

在一本书上还看到了这样计算定时初值的:

TH0=-(50235/256); //重装100ms定时初值

TL0=-(50235%6); ///这里使用的6M晶体,

这里是6M晶体,延时100ms,那么按上面讲的原理,6M是每个计数为2us,100ms定时就是计数50000个。

那么,定时器初值要 65536-50000=15536,转成16进是3CB0。这就是要送给TH(=3C) 和TL(=B0)的值。

程序中写 TH0=-(50235/256);其实它是这样的TH0=0x100-(50235/256); 在51中,取负数,其结果就是它的值取反+1,也可以用0x100(十进制的256)去减,结果是多少呢?结果就是3C。

编辑:admin  最后修改时间:2018-05-18