时钟周期，机器周期，指令周期及CPU字长

分类： 嵌入式系统硬件 2010-12-27 22:04 743人阅读 评论(0) 收藏 举报

      时钟周期：时钟周期也称为振荡周期，定义为时钟脉冲频率的倒数（时钟周期就是单片机外接晶振的倒数，例如12M的晶振，它的时钟周期就是1/12us），是计算机中的最基本的、最小的时间单位，也即CPU主频。时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲，控制着计算机的工作节奏。时钟频率越高，工作速度就越快。
      机器周期：计算机中，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一个阶段完成一项工作。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。8051系列单片机的一个机器周期由6个S周期（状态周期）组成。 一个S周期=2个节拍（P），所以8051单片机的一个机器周期=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=1/24M×12＝12/24M 秒。
      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。最简单的是NOP（no operation）指令，它不完成任何操作，只使程序计数器PC加1，所以占用一个机器周期
      一句话来讲：指令周期、机器周期和时钟周期之间的关系，指令周期通常用若干个机器周期表示，而机器周期时间又包含有若干个时钟周期。
      单片机的字长简单的说：一个机器周期内，8位单片机能同时处理 8位数据(1字节) ，16位单片机能同时处理16位数据(2字节) ，32位单片机能同时处理32位数据(4字节) ，能同时处理的数据越多,工作效率越高,速度越快。同时内部指令有长短，分为1字节指令，2字节指令等等，8位机就是一个机器周期可以执行一条1字节指令，所以32位机一个机器周期可执行4条1字节指令，处理能力更强，速度更快。这些字长应该是包含操作码跟操作数在内的，因为底层执行时不管是操作码还是操作数全都是二进制，由CPU来执行。

时序分析的概念 

对驱动工程师或硬件工程师而言，时序分析的意思是让芯片之间的访问满足芯片手册中时序图信号有效的先后顺序、采样建立时间（setup time）和保持时间（hold time）的要求，在电路板工作不正常的时候，准确地定位时序方面的问题。
建立时间是指在触发器的时钟信号边沿到来以前，数据已经保持稳定不变的时间，如果建立时间不够，数据将不能在这个时钟边沿被正确采样；保持时间是指在触发器的时钟信号边沿到来以后，数据还需稳定不变的时间，如果保持时间不够，数据同样不能被正确采样。如图 2.26 所示，数据稳定传输必须满足建立和保持时间的要求，当然在一些情况下，建立时间和保持时间的值可以为 0。