MCS-51单片机的时钟电路与时序
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如同一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
（一）振荡器和时钟电路
1.时钟电路的产生
在MCS-51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL 1，其输出端为引脚XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL 2之间跨接晶体振荡器和微调电容，再利用芯片内部的振荡电路形成反馈电路，从而构成一个稳定的自激振荡器，即单片机的时钟电路，如图2-4所示。
图2-4 时钟振荡电路
时钟电路产生的振荡脉冲经过单片机内部的触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。
一般地，微调电容C1和C2取30p F左右，晶体的振荡频率范围是0～24MHz。晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行的速度也就快。MCS-51在通常应用情况下，使用的振荡频率为6MHz或12MHz。
2.引入外部脉冲信号
在由多个单片机组成的系统中，为了使各单片机之间的时钟信号同步，应当引入唯一的公用外部脉冲信号作为单片机的振荡脉冲。这时，外部的脉冲信号接至XTAL1引脚，XTAL2悬空，如图2-5所示。
图2-5 外部时钟源接法
（二）时序及有关概念
CPU执行一系列动作都是在统一的时钟脉冲控制下进行的。这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。由于指令的字节数不同，取这些指令所需要的时间也不同，即使字节数相同的指令，由于执行操作有较大差别，所以不同的指令执行时间也不相同，即所需要的节拍数不同。为了便于对CPU的时序进行分析，人们按指令的执行过程规定了几种周期，即时钟周期、机器周期和指令周期，这也被称为时序定时单位。
1.时序
时序是用定时单位来说明的。MCS-51的时序单位共有四个，从小到大依次是：节拍、状态、机器周期和指令周期，其时序如图2-6所示。下面分别加以说明。
图2-6 CPU时序单位
（1）节拍与状态。单片机中把振荡脉冲的周期定义为节拍（Phase，用P表示）。振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号，把时钟信号的周期定义为状态（State，用S表示）。这样，一个状态就包含两个节拍，其前半周期对应的节拍叫节拍1（P1），后半周期对应的节拍叫节拍2（P2）。
（2）机器周期。MCS-51采用定时控制方式，因此它有固定的机器周期。规定一个机器周期的宽度为六个状态，并依次表示为S1～S6。由于一个状态包括两个节拍，因此，一个机器周期总共有十二个节拍，分别记作S1P1、S1P2、…、S6P2。由于一个机器周期共有十二个振荡脉冲周期，因此机器周期就是振荡脉冲周期的十二倍。
当振荡脉冲频率为12MHz时，一个机器周期为1μs；当振荡脉冲频率为6MHz时，一个机器周期为2μs。
（3）指令周期。执行一条命令所需要的时间称为指令周期，它是最大的时序定时单位。指令周期一般由若干个机器周期组成，不同的指令所需要的机器周期数也不相同。通常情况，包含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令等。
指令的执行速度与指令所包含的机器周期有关，机器周期数越少的指令，执行的速度越快。MCS-51单片机通常可以分为单周期指令、双周期指令和四周期指令三种。只有乘法和除法两条指令是四周期指令，其余都为单周期和双周期指令。
2.CPU取指、执指时序
单片机执行任何一条指令时都可以分为取指令阶段和执行指令阶段（简称为取指阶段和执指阶段）。89C51单片机的取指/执行时序如图2-7所示。
由图2-7可见，ALE引脚上出现的信号是周期性的，在每个机器周期内出现两次高电平。第一次出现在S1P2和S2P1期间，第二次出现在S4P2和S5P1期间。ALE信号每出现一次，CPU就进行一次取指操作，但由于不同指令的字节数和机器周期数不同，因此取指令操作也随指令不同而小有差异。
按照指令字节数和机器周期数，MCS-51单片机指令可分为六类，分别是：单字节单周期指令、单字节双周期指令、单字节四周期指令、双字节单周期指令、双字节双周期指令、三字节双周期指令，见附录A MCS-51指令表。
图2-7（a）、（b）分别给出了单字节单周期和双字节单周期指令的时序。指令的执行始于S1P2，这时操作码被锁存到指令寄存器内。若是双字节，则在同一机器周期的S4读第二字节。若是单字节指令，则在S4仍有读操作，但被读入的字节无效，且程序计数器PC并不增量。图2-7（c）给出了单字节双周期指令的时序，两个机器周期内进行了四次读操作码操作。因为是单字节指令，所以后三次的读操作码操作都是无效的。
图2-7 89C51单片机的取指/执行时序
图2-7（d）给出了访问片外RAM指令“MOVX A，@DPTR”的时序，它是一条单字节双周期指令。在第一个机器周期S5开始送出片外RAM地址后，进行读/写数据。读写期间在ALE端不输出有效信号，所以第二机器周期，即外部RAM已被寻址和选通后，也不产生取指令操作。
从时序上讲，算术逻辑运算的执指操作一般发生在P1期间，内部寄存器对寄存器的传送操作发生在P2期间。