2020年11月27日 | msp430时钟周期、机器周期、指令周期定义及关系

　　在学习计算机组成原理，单片机，嵌入式等课程时，经常会遇到各种周期，大致有如下几种周期：

　　时钟周期、状态周期

　　节拍周期、振荡周期

　　指令周期、机器周期、总线周期

　　这些周期之间有很多联系，一般都是倍数关系，由最原始的周期分频得到

　　1.时钟周期、振荡周期、节拍周期

　　时钟周期又叫做振荡周期、节拍周期，定义为时钟晶振频率的倒数。时钟周期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。　例如晶振为12M，则时钟周期为1/12us。又可以被定义为节拍。

　　2.状态周期

　　状态周期是时钟周期的2倍，由时钟周期二分频得到。

　　3.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。比如，取值周期，取数周期。在80C51内部，机器周期一般包括于6个状态周期，12个时钟周期。例如24M的晶振，机器周期为12/24M秒。

　　4.指令周期

　　指令周期是指取出并完成一条指令所需的时间，一般由若干个机器周期组成，分为单周期指令，双周期指令和多周期指令。

　　对于一些简单的的单字节指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即译码执行，不再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令，例如转移指令、乘法指令，则需要两个或者两个以上的机器周期。

　　5.总线周期

　　由于存贮器和I/O端口是挂接在总线上的，CPU对存贮器和I/O接口的访问，是通过总线实现的。通常把CPU通过总线对微处理器外部（存贮器或 I/O接口）进行一次访问所需时间称为一个总线周期。一个总线周期一般包含4个时钟周期，这4个时钟周期分别称4个状态即T1状态、T2状态、T3状态和 T4状态。

　　那MSP430的时钟周期 机器周期 指令周期有什么关系呢？

　　在430中，一个时钟周期 ＝ MCLK晶振的倒数。如果MCLK是8M，则一个时钟周期为1/8us；

　　一个机器周期 ＝ 一个时钟周期，即430每个动作都能完成一个基本操作；

　　一个指令周期 ＝ 1～6个机器周期，具体根据具体指令而定。

　　另：指令长度，只是一个存储单位与时间没有必然关系。

　　MSP430根据型号的不同最多可以选择使用3个振荡器。我们可以根据需要选择合适的振荡频率，并可以在不需要时随时关闭振荡器，以节省功耗。这3个振荡器分别为：

　　（1）DCO 数控RC振荡器。它在芯片内部，不用时可以关闭。DCO的振荡频率会受周围环境温度和MSP430工作电压的影响，且同一型号的芯片所产生的频率也不相同。但DCO的调节功能可以改善它的性能，他的调节分为以下3步：a：选择BCSCTL1.RSELx 确定时钟的标称频率;b：选择DCOCTL.DCOx在标称频率基础上分段粗调;c：选择DCOCTL.MODx的值进行细调。

　　（2）LFXT1 接低频振荡器。典型为接32768HZ的时钟振荡器，此时振荡器不需要接负载电容。也可以接450KHZ~8MHZ的标准晶体振荡器，此时需要接负载电容。

　　（3）XT2 接450KHZ~8MHZ的标准晶体振荡器。此时需要接负载电容，不用时可以关闭。

　　低频振荡器主要用来降低能量消耗，如使用电池供电的系统，高频振荡器用来对事件做出快速反应或者供CPU进行大量运算。当然高端430还有锁频环（FLL）及FLL+等模块，但是初步不用考虑那么多。

　　MSP430的3种时钟信号：MCLK系统主时钟;SMCLK系统子时钟;ACLK辅助时钟。

　　（1）MCLK系统主时钟。除了CPU运算使用此时钟以外，外围模块也可以使用。MCLK可以选择任何一个振荡器所产生的时钟信号并进行1、2、4、8分频作为其信号源。

　　（2）SMCLK系统子时钟。供外围模块使用。并在使用前可以通过各模块的寄存器实现分频。SMCLK可以选择任何一个振荡器所产生的时钟信号并进行1、2、4、8分频作为其信号源。

　　（3）ACLK辅助时钟。供外围模块使用。并在使用前可以通过各模块的寄存器实现分频。但ACLK只能由LFXT1进行1、2、4、8分频作为信号源。

　　PUC复位后，MCLK和SMCLK的信号源为DCO，DCO的振荡频率默认为800KHZ。ACLK的信号源为LFXT1。

　　MSP430内部含有晶体振荡器失效监测电路，监测LFXT1（工作在高频模式）和XT2输出的时钟信号。当时钟信号丢失50us时，监测电路捕捉到振荡器失效。如果MCLK信号来自LFXT1或者XT2，那么MSP430自动把MCLK的信号切换为DCO，这样可以保证程序继续运行。但MSP430不对工作在低频模式的LFXT1进行监测。

　　为了实现具体的时钟可以设置跟时钟相关的寄存器，在低端430中是DCOCTL、 BCSCTL1和BCSCTL2三个寄存器。而对于高端的430，则要考虑SCFI0、SCFQCTL、FLL_CTL0、FLL_CTL1和BTCTL 等几个寄存器。具体设置，参看DataSheet。

　　单片机上电后，如果不对时钟系统进行设置，默认800 kHz的DCOCLK为MCLK和SMCLK的时钟源，LFXTl接32768 Hz晶体，工作在低频模式（XTS=O）作为ACLK的时钟源。CPU的指令周期由MCLK决定，所以默认的指令周期就是1／800 kHz=“1”．25μs。要得到lμs的指令周期需要调整DCO频率，即MCLK=1 MHz，只需进行如下设置：

　　BCSCTLl=XT20FF+RSEL2；

　　／／关闭XT2振荡器，设定DCO频率为1 MHz

　　DCOCTL=DCO2