晶振的作用以及什么是时钟周期机器周期和指令周期

晶体振荡器简称晶振,它会产生时钟频率作为单片机的时钟源。它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种晶体有一个特性,如果给它通电,它就会产生机械振荡,反之,如果给它机械力,它又会产生电,这种特性叫机电效应。他们有一个很重要的特点,其振荡频率与他们的形状,材料,切割方向等密切相关。由于石英晶体物理性能非常稳定,热膨胀系数非常小,所以其振荡频率也非常稳定。还有一种是使用压电陶瓷材料做的,这个用的不太多,精度低温度稳定性差。

无源晶振

无源晶振只是个石英晶体片,使用时需匹配相应的电容或起振电路才能工作,精度比有源晶振要低,但它不需要电源供电,一般有两个引脚,价格较低。

有源晶振

有源晶振内部含有石英晶体和匹配电容等起振电路,精度高、输出信号稳定,但需要电源供电,有源晶振一般是四管脚封状,有电源、地线、振荡输出和一个空置端。使用有源晶振时要特别注意,电源必须是稳压的且电源引线尽量短,并尽量与系统中使用晶振信号的芯片共地,价格略高。

晶振封装

晶振的封装有多种,有两只脚的,三只脚的和四只脚的,两脚的为无源晶振,三脚的也是无源晶振,里面封装了两个谐振电容引出公共地端,四脚的大多为有源晶振,有些也是无源的。

晶振在电路中一般用XY符号,用这个图形来表示:

工作电路

晶振在单片机电路中接法都一样,左边为无源晶振要接两个谐振电容以保证稳定性,右边为有源的接电源就直接震荡了,通常我们用无源晶振就够了。

晶振电路

单片机为啥要使用晶振呢?打个比方,这个晶振就像单片机的心脏,如果没有心脏起跳,单片机就不会工作,单片机每条指令的执行都需要晶振的时钟信号,它控制着单片机工作的节奏。下面有几个关于周期的概念要搞明白。

时钟周期

时钟周期:晶振频率的倒数,是单片机中的最基本的、最小的时间单位。比如用了11.0592MHz的晶振,则时钟周期为(1/11.0592us。理论上晶振的频率越大,单片机执行的速度越快,但每种单片机都有最高支持频率,心脏超负荷了就会挂掉。

机器周期

机器周期,以从内存读取一条指令的最短时间来定义。普通的51单片机有些指令一个机器周期等于12个时钟周期,如果用11.0592MHz的晶振,那么他的一个机器周期是:1/11.0592*12=1.085us。增强型的51单片机有些指令要快几倍,手册上会写明。

指令周期

指令周期:执行一条指令所需要的时间,一般由若干个机器周期组成。指令不同,所需的机器周期也不同。

三者的关系:机器周期包含若干个时钟周期。指令周期通常由若干个机器周期组成。

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