晶振和CPU周期

1、晶振简介

　　晶振，全称是石英晶体振荡器，是一种高精度和高稳定度的振荡器。有一些电子设备需要频率高度稳定的交流信号，而LC振荡器稳定性较差，频率容易漂移（即产生的交流信号频率容易变化）。在振荡器中采用一个特殊的元件——石英晶体，可以产生高度稳定的信号，这种采用石英晶体的振荡器称为晶体振荡器。

　　晶振具有压电效应，即在晶片两极外加电压后晶体会产生变形，反过来如外力使晶片变形，则两极上金属片又会产生电压。如果给晶片加上适当的交变电压，晶片就会产生谐振（谐振频率与石英斜面倾角等有关系，且频率一定）。晶振利用一种能把电能和机械能相互转化的晶体，在共振的状态下工作可以提供稳定、精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。利用该特性，晶振可以提供较稳定的脉冲，广泛应用于微芯片的时钟电路里。晶片多为石英半导体材料，外壳用金属封装。

　　晶振主要是由晶体和外围元器件构成的。下图为晶振的实物外形和内部结构及电路图形符号和等效电路。

2、晶振的使用

　　晶振常与主板、南桥、声卡等电路连接使用。晶振可比喻为各板卡的“心跳”发生器，如果主卡的“心跳”出现问题，必定会使其他各电路出现故障。通过一定的外接电路来，可以生成频率和峰值稳定的正弦波。

　　以单片机为例：

　　首先，单片机能正常工作的必要条件之一就是时钟电路，所以单片机就很需要晶振。单片机在运行的时候，需要一个脉冲信号，做为自己执行指令的触发信号，可以简单的想象为：单片机收到一个脉冲，就执行一次或多次指令。

　　单片机工作时，是一条一条地从ROM中取指令，然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这是一个时间基准。—个机器周期包括12个时钟周期。如果一个单片机选择了12兆赫兹晶振，它的时钟周期是1/12us，它的一个机器周期是12×（1/12）us，也就是1us。

　　MCS—51单片机的所有指令中，有一些完成得比较快，只要一个机器周期就行了，有一些完成得比较馒，得要2个机器周期，还有两条指令要4个机器周期才行。为了衡量指令执行时间的长短，又引入一个新的概念：指令周期。所谓指令周期就是指执行一条指令的时间。例如，当需要计算DJNZ指令完成所需要的时间时，首先必须要知道晶振的频率，设所用晶振为12兆赫兹，则一个机器周期就是1us。而DJNZ指令是双周期指令，所以执行一次要2us。如果该指令需要执行500次，正好1000us，也就是1ms。

　　机器周期不仅对于指令执打有着重要的意义，而且机器周期也是单片机定时器和计数器的时间基准。例如一个单片机选择了12兆赫兹晶振，那么当定时器的数值加1时，实际经过的时间就是1us，这就是单片机的定时原理。

　　晶振是给单片机提供工作信号脉冲的。这个脉冲就是单片机的工作速度。比如12兆晶振。单片机工作速度就是每秒12兆。单片机内部也有晶振。接外部晶振可以或得更稳定的频率.

　　晶振好比单片机的心脏，如果没有心脏起跳，单片机无法工作，晶振值越大，单片机运行速度越快，有时并不是速度越快越好，对于电子电路而言，速度够用就是最好，速度越快越容易受干扰，可靠性越差。

3、三种周期和分频

　　（1）时钟周期、指令周期、机器周期

　　时钟周期/振荡周期：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。

　　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。

　　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。

　　（2）时钟分频

　　时钟分频最简单的方法就是用计数器，原理是这样的：原来的多个脉冲产生一个新脉冲，这样频率就比原来的减少了，比如八进制，就是八分频，十进制，就是十分频。

4、CPU 周期信号、节拍周期信号、节拍脉冲信号三者之间的关系

      一小块石英晶体加电后产生压电反应，在固定频率振动，产生出电压按照固定周期变化的脉冲信号。这个高频率的信号通向分频器（frequency divider），转化为比较低频的信号。


     以上图为例，分频器分出来的信号有四个频率。 CPU周期信号、节拍周期信号、节拍脉冲信号本质上都是时钟脉冲的不同分频，主要区别在于用途上。

     通常来说，CPU 周期信号最“慢”，它决定 CPU 所处的状态。CPU 执行一条指令的周期叫做指令周期（instruction cycle），指令周期可以划分为 fetch、decode、和 execute 三个部分，所以也叫 fetch-decode-execute cycle。假设上图与 QD 频率相同的信号有三个，QD1、QD2、QD3，它们分别依次处于高电位，那么就可以用它们来控制 CPU 处于 fetch、decode、execute 状态，这就是 CPU 周期信号。

     节拍周期信号是控制信号，调整电路的功能。比如，现在 CPU 处于 fetch 状态，仍旧以上图为例，假设 QC 这个比 QD “快”的信号有 QC1、QC2、QC3……QCi 个，分别对应电路的不同功能（比如，应该将从内存中取来的数字作为指令解释，还是送给寄存器存起来），谁处于高电位，CPU 就能执行谁决定的功能。

      节拍脉冲信号则是触发信号，决定电路的实际工作起点。以上图的 QB 为例，假设 QD1 决定 CPU 处于 fetch 阶段，QC1 决定 CPU 的功能是去内存取一个数字，那么 QB 的上升沿会触发整个电路切实地执行这个功能。