1、晶振簡介

　　晶振，全稱是石英晶體振蕩器，是一種高精度和高穩定度的振蕩器。有一些電子設備需要頻率高度穩定的交流信號，而LC振蕩器穩定性較差，頻率容易漂移（即產生的交流信號頻率容易變化）。在振蕩器中采用一個特殊的元件——石英晶體，可以產生高度穩定的信號，這種采用石英晶體的振蕩器稱為晶體振蕩器。

　　晶振具有壓電效應，即在晶片兩極外加電壓后晶體會產生變形，反過來如外力使晶片變形，則兩極上金屬片又會產生電壓。如果給晶片加上適當的交變電壓，晶片就會產生諧振（諧振頻率與石英斜面傾角等有關系，且頻率一定）。晶振利用一種能把電能和機械能相互轉化的晶體，在共振的狀態下工作可以提供穩定、精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十。利用該特性，晶振可以提供較穩定的脈沖，廣泛應用于微芯片的時鐘電路里。晶片多為石英半導體材料，外殼用金屬封裝。

　　晶振主要是由晶體和外圍元器件構成的。下圖為晶振的實物外形和內部結構及電路圖形符號和等效電路。

2、晶振的使用

　　晶振常與主板、南橋、聲卡等電路連接使用。晶振可比喻為各板卡的“心跳”發生器，如果主卡的“心跳”出現問題，必定會使其他各電路出現故障。通過一定的外接電路來，可以生成頻率和峰值穩定的正弦波。

　　以單片機為例：

　　首先，單片機能正常工作的必要條件之一就是時鐘電路，所以單片機就很需要晶振。單片機在運行的時候，需要一個脈沖信號，做為自己執行指令的觸發信號，可以簡單的想象為：單片機收到一個脈沖，就執行一次或多次指令。

　　單片機工作時，是一條一條地從ROM中取指令，然后一步一步地執行。單片機訪問一次存儲器的時間，稱之為一個機器周期，這是一個時間基準。—個機器周期包括12個時鐘周期。如果一個單片機選擇了12兆赫茲晶振，它的時鐘周期是1/12us，它的一個機器周期是12×（1/12）us，也就是1us。

　　MCS—51單片機的所有指令中，有一些完成得比較快，只要一個機器周期就行了，有一些完成得比較饅，得要2個機器周期，還有兩條指令要4個機器周期才行。為了衡量指令執行時間的長短，又引入一個新的概念：指令周期。所謂指令周期就是指執行一條指令的時間。例如，當需要計算DJNZ指令完成所需要的時間時，首先必須要知道晶振的頻率，設所用晶振為12兆赫茲，則一個機器周期就是1us。而DJNZ指令是雙周期指令，所以執行一次要2us。如果該指令需要執行500次，正好1000us，也就是1ms。

　　機器周期不僅對于指令執打有著重要的意義，而且機器周期也是單片機定時器和計數器的時間基準。例如一個單片機選擇了12兆赫茲晶振，那么當定時器的數值加1時，實際經過的時間就是1us，這就是單片機的定時原理。

　　晶振是給單片機提供工作信號脈沖的。這個脈沖就是單片機的工作速度。比如12兆晶振。單片機工作速度就是每秒12兆。單片機內部也有晶振。接外部晶振可以或得更穩定的頻率.

　　晶振好比單片機的心臟，如果沒有心臟起跳，單片機無法工作，晶振值越大，單片機運行速度越快，有時并不是速度越快越好，對于電子電路而言，速度夠用就是最好，速度越快越容易受干擾，可靠性越差。

3、三種周期和分頻

　　（1）時鐘周期、指令周期、機器周期

　　時鐘周期/振蕩周期：時鐘周期又叫做振蕩周期、節拍周期，定義為時鐘晶振頻率的倒數。時鐘周期是計算機中最基本的、最小的時間單位。在一個時鐘周期內，CPU僅完成一個最基本的動作。例如晶振為12M，則時鐘周期為1/12us。又可以被定義為節拍。

　　指令周期：指令周期是指取出并完成一條指令所需的時間，一般由若干個機器周期組成，分為單周期指令，雙周期指令和多周期指令。對于一些簡單的的單字節指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即譯碼執行，不再需要其它的機器周期。對于一些比較復雜的指令，例如轉移指令、乘法指令，則需要兩個或者兩個以上的機器周期。

　　機器周期：在計算機中，為了便于管理，常把一條指令的執行過程劃分為若干個階段，每一階段完成一項工作。例如，取指令、存儲器讀、存儲器寫等，這每一項工作稱為一個基本操作。完成一個基本操作所需要的時間稱為機器周期。一般情況下，一個機器周期由若干個S周期（狀態周期）組成。比如，取值周期，取數周期。在80C51內部，機器周期一般包括于6個狀態周期，12個時鐘周期。例如24M的晶振，機器周期為12/24M秒。

　　（2）時鐘分頻

　　時鐘分頻最簡單的方法就是用計數器，原理是這樣的：原來的多個脈沖產生一個新脈沖，這樣頻率就比原來的減少了，比如八進制，就是八分頻，十進制，就是十分頻。

4、CPU 周期信號、節拍周期信號、節拍脈沖信號三者之間的關系

      一小塊石英晶體加電后產生壓電反應，在固定頻率振動，產生出電壓按照固定周期變化的脈沖信號。這個高頻率的信號通向分頻器（frequency divider），轉化為比較低頻的信號。


     以上圖為例，分頻器分出來的信號有四個頻率。 CPU周期信號、節拍周期信號、節拍脈沖信號本質上都是時鐘脈沖的不同分頻，主要區別在于用途上。

     通常來說，CPU 周期信號最“慢”，它決定 CPU 所處的狀態。CPU 執行一條指令的周期叫做指令周期（instruction cycle），指令周期可以劃分為 fetch、decode、和 execute 三個部分，所以也叫 fetch-decode-execute cycle。假設上圖與 QD 頻率相同的信號有三個，QD1、QD2、QD3，它們分別依次處于高電位，那么就可以用它們來控制 CPU 處于 fetch、decode、還是 execute 狀態，這就是 CPU 周期信號。

     節拍周期信號是控制信號，調整電路的功能。比如，現在 CPU 處于 fetch 狀態，仍舊以上圖為例，假設 QC 這個比 QD “快”的信號有 QC1、QC2、QC3……QCi 個，分別對應電路的不同功能（比如，應該將從內存中取來的數字作為指令解釋，還是送給寄存器存起來），誰處于高電位，CPU 就能執行誰決定的功能。

      節拍脈沖信號則是觸發信號，決定電路的實際工作起點。以上圖的 QB 為例，假設 QD1 決定 CPU 處于 fetch 階段，QC1 決定 CPU 的功能是去內存取一個數字，那么 QB 的上升沿會觸發整個電路切實地執行這個功能。