單片機中各種周期的關系與定時器原理

我們現(xiàn)來理解幾個比較重要的概念：

時鐘周期：

時鐘周期也叫振蕩周期或晶振周期，即晶振的單位時間發(fā)出的脈沖數(shù)，一般有外部的振晶產(chǎn)生，比如12MHZ=12×10的6次方，即每秒發(fā)出12000000個脈沖信號，那么發(fā)出一個脈沖的時間就是時鐘周期，也就是1/12微秒。通常也叫做系統(tǒng)時鐘周期。是計算機中最基本的、最小的時間單位。

在8051單片機中把一個時鐘周期定義為一個節(jié)拍(用P表示)，二個節(jié)拍定義為一個狀態(tài)周期(用S表示)。

機器周期：

在計算機中，為了便于管理，常把一條指令的執(zhí)行過程劃分為若干個階段，每一階段完成一項工作。例如，取指令、存儲器讀、存儲器寫等，這每一項工作稱為一個基本操作。完成一個基本操作所需要的時間稱為機器周期。一般情況下，一個機器周期由若干個S周期(狀態(tài)周期)組成。8051系列單片機的一個機器周期同6個S周期(狀態(tài)周期)組成。前面已說過一個時鐘周期定義為一個節(jié)拍(用P表示)，二個節(jié)拍定義為一個狀態(tài)周期(用S表示)，8051單片機的機器周期由6個狀態(tài)周期組成，也就是說一個機器周期=6個狀態(tài)周期=12個時鐘周期。

在標準的51單片機中，一般情況下，一個機器周期等于12個時鐘周期，也就是機器周期=12*時鐘周期，(上面講到的原因)如果是12MHZ，那么機器周期=1微秒。單片機工作時，是一條一條地從RoM中取指令，然后一步一步地執(zhí)行。單片機訪問一次存儲器的時間，稱之為一個機器周期，這是一個時間基準。

機器周期不僅對于指令執(zhí)行有著重要的意義，而且機器周期也是單片機定時器和計數(shù)器的時間基準。例如一個單片機選擇了12MHZ晶振，那么當定時器的數(shù)值加1時，實際經(jīng)過的時間就是1us，這就是單片機的定時原理。

但是在8051F310中，CIP-51 微控制器內(nèi)核采用流水線結(jié)構，與標準的 8051 結(jié)構相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個標準的 8051 中，除 MUL和 DIV以外所有指令都需要 12 或 24 個系統(tǒng)時鐘周期，最大系統(tǒng)時鐘頻率為 12-24MHz。而對于 CIP-51 內(nèi)核，70%的指令的執(zhí)行時間為 1或2個系統(tǒng)時鐘周期，只有 4 條指令的執(zhí)行時間大于 4 個系統(tǒng)時鐘周期。 所以在計算定時器的值時要注意這里的變化。

指令周期

指令周期是執(zhí)行一條指令所需要的時間，一般由若干個機器周期組成。指令不同，所需的機器周期數(shù)也不同。對于一些簡單的的單字節(jié)指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即譯碼執(zhí)行，不再需要其它的機器周期。對于一些比較復雜的指令，例如轉(zhuǎn)移指令、乘法指令，則需要兩個或者兩個以上的機器周期。

系統(tǒng)時鐘：

系統(tǒng)時鐘：系統(tǒng)時鐘就是CPU指令運行的頻率，這個才是CPU真正的頻率。

單片機內(nèi)部所有工作，都是基于由晶振產(chǎn)生的同一個觸發(fā)信號源，由這個信號來同步協(xié)調(diào)工作步驟，我們把這個信號稱為系統(tǒng)時鐘，系統(tǒng)時鐘一般由晶振產(chǎn)生，但在單片機內(nèi)部系統(tǒng)時鐘不一定等于晶振頻率，有可能小于晶振頻率，也有可能大于晶振頻率，具體是多少由單片機內(nèi)部結(jié)構決定，正常情況和晶振頻率會存在一個整數(shù)倍關系。系統(tǒng)時種是整個單片機工作節(jié)奏的基準，它每振蕩一次，單片機就被觸發(fā)執(zhí)行一次操作。

一般來說,單片機只有一個時鐘源.用了外部晶振,就不用內(nèi)部RC,用了內(nèi)部RC,就不用外部晶振.振蕩器振蕩,產(chǎn)生周期波.單片機在這樣的周期波的作用一下有規(guī)律的一拍一拍的工作,波的頻率越高,單片工作得就越快,波的頻率越低,單片機工作得就越慢。

有了以上的概念以后，就可以正確的理解定時器的工作原理了，在8051F310單片機中，有3個定時器，如果定時器1工作在模式1下，如工作模式1下，是16位的計時器，最大數(shù)值是65535,當再加1時(=65536)，就會發(fā)生溢出，產(chǎn)生中斷，所以如果我們要它計1000個數(shù)， 那么定時初值就是65536-1000，結(jié)果就是64536，這個值送給TH、TL，因為是16進制的，所以高位是64536/256取商，低位是64536%6取余。

再者，就是每一計數(shù)的時間是多久?一般我們?nèi)?2M晶振時，一個周期剛好是1us，計數(shù)1000個就是1ms，這是因為標準的51單片機是12時鐘周期的(STC有6時鐘和1時鐘方式)。那么，如果我們晶振是12M，就比較好算，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，每個計數(shù)是2us，那么你要定時1ms就只要計數(shù)500個即可以。

定時器的初值跟定時器的工作方式，跟晶振頻率都有關系。一個機器周期Tcy=晶振頻率X12，計數(shù)次數(shù)N=定時時間t/機器周期Tcy，那么初值就X=65536-N，得出的數(shù)化成十六進制就行了。這里是用定時器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。這里有一個公式：

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

其中，time就是要延時的100ms(要取100000us)，ft是晶振頻率。這個式子又可以簡化成

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

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

在一本書上還看到了這樣計算定時初值的：

TH0=-(50235/256); //重裝100ms定時初值

TL0=-(50235%6); ///這里使用的6M晶體，

這里是6M晶體，延時100ms，那么按上面講的原理，6M是每個計數(shù)為2us，100ms定時就是計數(shù)50000個。

那么，定時器初值要 65536-50000=15536，轉(zhuǎn)成16進是3CB0。這就是要送給TH(=3C) 和TL(=B0)的值。

程序中寫 TH0=-(50235/256);其實它是這樣的TH0=0x100-(50235/256); 在51中，取負數(shù)，其結(jié)果就是它的值取反+1，也可以用0x100(十進制的256)去減，結(jié)果是多少呢?結(jié)果就是3C。

編輯：admin  最后修改時間：2018-05-18