晶振的作用，高速晶振优缺点。简单分析51单片机的软件延时实现

前言

（1）我们都知道晶振是一款MCU的心脏，因为长期用这种抽象的概念进行解释，导致很多人不知道这个心脏的实际作用。因此，我在这里详细的介绍一下晶振对于MCU的实际作用。
（2）接下来我将会在MCU处理能力，功耗，通讯速度，定时器精度等角度来探讨。

晶振对MCU处理速度影响

机器周期和指令周期是啥

（1）在讲解晶振对于MCU的处理能力之前，不得不需要了解两个术语——机器周期，指令周期。
（2）那么机器周期和指令周期是什么呢？那么我们以stc89c52的软件延时为例，进行讲解。
（3）首先，我们需要知道机器周期是什么。机器周期就是晶振的倒数，比如，stc89c52的常用晶振为12MHZ，那么他此时的晶振周期为

1 12 ∗ 1 0 6 S \frac{1}{12*10^{6}} S 12∗1061​S

（4）而stc89c52有的指令周期可以选择6机器周期或者12机器周期，一般来说默认12机器周期。因此，我们就可以计算出stc89c52的指令周期为

1 12 ∗ 1 0 6 ∗ 12 = 1 1 0 6 S = 1 u s \frac{1}{12*10^{6}} * 12 = \frac{1}{10^{6}} S = 1us 12∗1061​∗12=1061​S=1us

如何根据指令周期计算每条汇编的执行时间

（1）指令周期是一个啥玩意呢？我们现在可以看汇编指令了，在汇编中，有些指令只需要执行一个指令周期，有些指令需要两个指令周期，有些需要三个。那么根据这个，我们就可以知道每条指令执行的时间了。
（2）我现在打开宏晶公司的工具，查看到STC89C52的汇编执行时间。注意：这里的单位是机器周期，而不是指令周期。

（3）我们通过宏晶公司的工具，软件生成延时1us的程序，发现就是一个NOP指令。这指令无作用，就是做一个指令周期的延时。所以延时1us就是一个NOP。

（4）如果此时我们需要延时10us，查看结果是怎么样的。

NOP执行一个指令周期，RET两个指令周期。最终算出来的结果应该是8个指令周期，也就是8us。
这个时候有人就会问了，为什么是8us呢？不应该是10us吗？想必学过51单片机延时部分的同学就知道，51单片机的软件延时并不准确，所以他每条指令可能执行完之后，会略微的大于1us，最终误差累积起来，所以只需要8个指令周期，就会近似延时10us。

DELAY10US:			;@12.000MHzNOP     NOP   2NOPNOP   2NOPNOP   2RET   2

（5）现在我们再进行一个50us的延时函数，看看宏晶给我们生成的代码是什么？

查阅STC-Y1指令集，可以知道他们所占用的指令周期是多少。（标注在后面的数字）
通过计算发现，实际上其实只邹了47个指令周期，近似50us。

DELAY50US:			;@12.000MHz  PUSH 30H                     2          MOV 30H,#20                  1
NEXT:                            DJNZ 30H,NEXT                2 * 20 =40POP 30H                      2RET                          2

（6）

现在我们对于晶振和MCU执行速度有了一个简单了解之后。现在我们把12MHZ晶振换成更加常用的11.0592试试，此时生成一个10us的代码。
我们会发现，执行的代码变少了！这说明什么，相同时间段内，越高频率的晶振，所能执行的指令越多。

DELAY10US:			;@11.0592MHzNOPNOPNOPNOPNOPRET

结论

优点：高频晶振可以提高MCU对指令的处理速度，但是MCU有最高系统时钟限制，超频容易导致程序运行出现故障。
缺点：过高的系统时钟，会导致功耗过高。

晶振对串口通讯的影响

（1）从上面的例子我们可以看出，12MHZ不但可以提高代码执行速度，最终产生的时间相对准确。为什么还需要一个11.0592MHZ晶振呢？
（2）这个就串口波特率有关了。我们都知道，串口波特率常用的有115200，9600等。
（3）串口波特率计算公式如下，一般我们选用方式1进行波特率发生器。

（4）现在我们知道了串口波特率发生的公式，开始计算，会发现11.0592MHZ产生的波特率是没有任何误差的。而如果是12MHZ的晶振，就很容易产生误差，而且随着时间的累积，误差会越来越大。
（5）

我们看下面表6.3.2知道11.0592所产生的串口波特率是没有误差的，但是肯定有同学无法理解为什么没有误差。

所以我直接以11.0592生成波特率9600为例，注意，我是采用的方式1，SMOD为0。即SCON = 0x50;

我们利用宏晶公司提供的stc-isp软件最终算出来TH1为253，对于16进制的0xFD。

现在我们开始计算波特率生成，利用芯片手册提供的公式进行计算，前面我们说了SMOD为0，然后采用的是11.0592MHZ = 11.0592 * 10^6HZ的晶振，即可得到下面公式。

2 0 32 ∗ 11.0592 ∗ 1 0 6 12 ∗ ( 256 − T H 1 ) ) = 9600 \frac{2^{0}}{32} * \frac{11.0592*10^{6}}{12*(256-TH1))} = 9600 3220​∗12∗(256−TH1))11.0592∗106​=9600

（5）但是如果我们测试一下12MHZ的晶振，套入上面的公式会发现，总是存在误差的。

晶振对定时器精度影响

（1）上面说了，11.0592MHZ 晶振能够产生非常准确的波特率。那么12MHZ除了能够让MCU执行速度提高，能够精确的产生什么吗？
（2）当然可以，如果51单片机的晶振给12MHZ，一般51单片机的定时器默认对晶振进行12分频，那么定时寄存器数值每次跳变都是1us。而如果晶振是11.0592，那么定时器寄存器每次跳变的时间就是12/11.0592us。很明显，12MHZ下的定时器产生的时间相对准确一点。
（3）

因为怕各位基础太差，我现在举个例子。假设，我的51单片机晶振给的是12MHZ，要进行100us定时。
我们会发现TH0是0xFB，TL0是0x50。换算成十进制，就是64336，而STC89C52的定时器是向上计数的。那么实际计数值为65536-65535=100。而前面说了，12MHZ的晶振下的定时器值每次跳变都是1us，刚刚好。

（4）

同样是100us，我们试试11.0592MHZ下的值是多少。
我们会发现TH0是0xFF，TL0是0xA4。换算成十进制，就是65444，实际计数是92。
而11.0592MHZ下的定时器值每次跳变都是12/11.0592us，最终计算公式如下：
12 11.0592 ∗ 92 ≈ 99.826 u s \frac{12}{11.0592} * 92 \approx 99.826 us 11.059212​∗92≈99.826us

总结

因此，我们可以看出，晶振的选取不是一味的追求高频，每一种晶振都有其好处。在选择过程中，我们应当按需选择。

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