文章目录
- 前言
- 1. 时钟周期（Clock Cycle）
- 定义
- 作用
- 2. 机器周期（Machine Cycle）
- 定义
- 典型操作
- 取指
- 译码
- 执行
- 架构差异
- CISC架构
- RISC架构
- 3. 指令周期（Instruction Cycle）
- 定义
- 示例（以8051为例）
- 单周期指令
- 双周期指令
- 四周期指令
- 重要性
- 4. 状态周期（State Cycle）
- 定义
- 作用
- S1-S2（取值）
- S3-S4（译码）
- S5-S6（执行）
- 5. 总线周期（Bus Cycle）
- 定义
- 典型场景
- 6. 中断响应周期（Interrupt Latency）
- 定义
- 优化策略
- 7. 流水线周期（Pipeline Stage）
- 定义
- 冲突处理
- 数据冲突
- 分支预测
- 关键概念对比
- 实际应用中的注意事项
- 时钟源选择
- 功耗与速度权衡
- 时序计算
- 流水线优化
- 总结
前言
在单片机中，时序控制是其执行指令和协调外设的核心基础。以下是单片机中常见的各种周期及其详细说明，以层次结构展开：
1. 时钟周期（Clock Cycle）
定义
时钟周期是单片机的最小时间单位，由外部晶振或内部振荡器产生的时钟信号决定。每个时钟周期对应一个时钟脉冲的上升沿到下一个上升沿（或下降沿）的时间。例如，12MHz 晶振的时钟周期为83.33ns。
作用
所有内部操作（如寄存器读写、ALU运算）均以时钟周期为基准同步进行。
2. 机器周期（Machine Cycle）
定义
机器周期是单片机完成一个基本操作所需的时间，通常由多个时钟周期组成。例如，传统8051单片机的机器周期包含 12个时钟周期。
对于传统8051（12时钟周期/机器周期）：1us
现代增强型8051（如STC系列）可能采用 1时钟周期/机器周期，速度提升12倍。
典型操作
取指
取指（Fetch）：从程序存储器读取指令。
译码
译码（Decode）：解析指令功能。
执行
执行（Execute）：执行运算或数据传输。
架构差异
CISC架构
CISC架构（如8051）：复杂指令可能需要多个机器周期。
RISC架构
RISC架构（如ARM Cortex-M）：单周期指令为主，效率更高。
3. 指令周期（Instruction Cycle）
定义
执行一条完整指令所需的时间，通常由1个或多个机器周期组成。指令周期因指令复杂度而异。
