51 单片机指令周期，机器周期，时钟周期详解
51 单片机有指令周期，机器周期，时钟周期的说法，看似相近，但是
又都不太一样，很容易混淆。还是详细分析一下。
时钟周期：单片机外接的晶振的振荡周期就是时钟周期，时钟周期=振
荡周期。比方说，80C51 单片机外接了一个 11.0592M 的晶体振荡器，那我们
就说这个单片机系统的时钟周期是 1/11.0592M，这里要注意 11.0592M 是频率，
周期是频率的倒数。
机器周期：单片机执行指令所消耗的最小时间单位。我们都知道 51 单
片机采用的 CISC(复杂指令指令集)，所以有很多条指令，并且各条指令执行的
时间也可能不一样(有一样的哦)，但是它们执行的时间必须是机器周期的整数
倍，这就是机器周期的意义所在。8051 系列单片机又在这个基础上进行细分，
将一个机器周期划分为 6 个状态周期，也就是 S1-S6，每个状态周期又由两个
节拍组成，P1 和 P2，而 P1=P2=时钟周期。这也就是经常说的 8051 系列单片
机的的时钟频率是晶振频率的 12 分频，或者是 1/12，就是这个意思。现在(截
至 2012)新的单片机已经能做到不分频了，就是机器周期=时钟周期。
指令周期：指令周期执行某一条指令所消耗的时间，它等于机器周期的
整数倍。传统的 80C51 单片机的指令周期大多数是单周期指令，也就是指令周
期=机器周期，少部分是双周期指令。现在(截至 2012)新的单片机已经能做到
不分频了，并且尽量单指令周期，就是指令周期=机器周期=时钟周期。
来看这张 8051 单片机外部数据，这里 ALE 和$PSEN$的变化频率已经小
于一个机器周期，如果使用 C 语言模拟这个信号是没有办法做到的一一对应的，
所以只能尽量和上面的时序相同，周期延长。
ARM7各种指令的周期数
ARM7各种指令的周期数
ARM7 具有3 级流水线结构（取指、译码、执行），对大多数指令来说每
条流水线的处理都是单周期的，不过某些情况下，取指和执行的周期数会延长，导致流水线进入stall 状态，指令执行时间超过1 个周期。经过在LPC213x/214x（NXP ARM7TDMI-S）上的试验，得出各类指令的执行周期数如下：1、大部分算术运算和逻辑运算指令都是单周期的（乘法例外）。
2、STR 指令需要增加1 个总线周期。如果地址位于内部SRAM，则是2 个周期；如果地址位于AHB、VPB 等外设总线上（例如访问外设的寄存器），由于
局部总线和外设总线桥接还有额外延时，因此需要再增加一些周期数，在
LPC213x/214x 上，当VPB 和主频相同时，需要再增加5 个周期额外延时，即用STR 指令访问外设寄存器需要7 个期。3、LDR 指令需要增加2 个总线周期。同理，如果地址位于内部SRAM，则是3 个周期；如果地址在外设总线上，同样需要再增加一些周期数，在LPC213x/214x 上，当VPB 和主频相同时，LDR 指令需要8 个周期。4、对于一次操作多个寄存器的STM、LDM 类指令，指令周期数与STR、LDR 类似，但每增加一个寄存器需要增加一个总线周期，例如当地址位于内部SRAM、寄存器个数为N 时，执行周期数为1+N（STM）和2+N（LDM）。5、无条件跳转语句和跳转语句成功跳转，需要重新填充流水线，因此至少需要3 个周期（假设访问程序存储空间是单周期的）。
6、LDR 指令的目标寄存器为R15（PC）时，相当于读总线+跳转，至少需要
5 个周期（假设访问程序存储空间是单周期的）。7、乘法指令根据操作数位数的不同，从2-5 个周期都有可能。8、对于所有的带条件的指令，如果条件不满足，指令不被执行，都只需要花1 个周期来跳过该指令。9、实际应用时，还需考虑程序存储器的访问速度（影响流水线取指阶段的周期数）以及Cache
单片机时钟周期、机器周期、指令周期与总线周期
时钟周期：
时钟周期也称为振荡周期，定义为时钟脉冲的倒数(可以这样来理解，时钟周期就是单片机外接晶振的倒数，例如12M的晶振，它的时间周期就是1/12us)，是计算机中最基本的、最小的时间单位。
在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。对于某种单片机，若采用了1MHZ的时钟频率，则时钟周期为1us;若采用4MHZ的时钟频率，则时钟周期为250us。由于时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲，它控制着计算机的工作节奏(使计算机的每一步都统一到它的步调上来)。显然，对同一种机型的计算机，时钟频率越高，计算机的工作速度就越快。具体计算就是1/fosc。也就是说如果晶振为1MHz，那么时钟周期就为1us;6MHz的话，就是1/6us。
8051单片机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。具体计算为：时钟周期Xcycles。如果单片机是12周期的话，那么机器周期就是T×12。假设晶振频率为12M，单片机为12周期的话，那么机器周期就是1us。
例如外接24M晶振的单片机，他的一个机器周期=12/24M秒;52系列单片机一个机器周期等于12个时钟周期。设晶振频率为12MHz时，52单片机是12T的单片机，即频率要12分频。12M经过分频变为1M，由T=1/f,即一个机器周期变为1us
MCS-51单片机的指令时序
时序是用定时单位来描述的，MCS-51的时序单位有四个，它们分别是节拍、状态、机器周期和指令周期，接下来我们分别加以说明。
·节拍与状态：
我们把振荡脉冲的周期定义为节拍（为方便描述，用P表示），振荡脉冲经过二分频后即得到整个单片机工作系统的时钟信号，把时钟信号的周期定义为状态（用S表示），这样一个状态就有两个节拍，前半周期相应的节拍我们定义为1(P1)，后半周期对应的节拍定义为2(P2)。
·机器周期：
MCS-51有固定的机器周期，规定一个机器周期有6个状态，分别表示为S1-S6，而一个状态包含两个节拍，那么一个机器周期就有12个节拍，我们可以记着S1P1、S1P2……S6P1、S6P2，一个机器周期共包含12个振荡脉冲，即机器周期就是振荡脉冲的12分频，显然，如果使用6MHz的时钟频率，一个机器周期就是2us，而如使用12MHz的时钟频率，一个机器周期就是1us。
·指令周期：
执行一条指令所需要的时间称为指令周期，MCS-51的指令有单字节、双字节和三字节的，所以它们的指令周期不尽相同，也就是说它们所需的机器周期不相同，可能包括一到四个不等的机器周期（这些内容，我们将在下面的章节中加以说明）。
·MCS-51的指令时序：
MCS-51指令系统中，按它们的长度可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。执行这些指令需要的时间是不同的，也就是它们所需的机器周期是不同的，有下面几种形式：
·单字节指令单机器周期
·单字节指令双机器周期
·双字节指令单机器周期 ·双字节指令双机器周期
·三字节指令双机器周期
·单字节指令四机器周期(如单字节的乘除法指令)
下图是MCS-51系列单片机的指令时序图：
上图是单周期和双周期取指及执行时序，图中的ALE脉冲是为了锁存地址的选通信号，显然，每出现一次该信号单片机即进行一次读指令操作。从时序图中可看出，该信号是时钟频率6分频后得到，在一个机器周期中，ALE信号两次有效，第一次在S1P2和S2P1期间，第二次在S4P2和S5P1期间。
