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单片机内部是基于数字逻辑电路来运行的，这些数字逻辑电路需要在一个统一的时钟步调下运行，这便涉及单片机的时钟和时序问题。下面以AT89S52为例来介绍和时序有关的问题，其中的内容对其他51系列单片机都是通用的。
振荡器和时钟电路用于产生单片机正常工作时所需要时钟信号。AT89S52单片机采用的CMOS工艺，内部包含有一个振荡器，可以用于CPU的时钟源。另外，也允许采用外部振荡器，由外部振荡器产生的时钟信号来供内部CPU运行使用。下面分别介绍这两种方式。
内部时钟模式是采用单片机内部振荡器来工作的模式。AT89S52和其他51系列单片机一样，其内部包含一个高增益的单级反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为片内反相放大器的输入端口和输出端口，其工作频率为0～33MHz。对于Intel的8051，工作频率为1.2～12MHz。
当单片机工作于内部时钟模式的时候，只需在XTAL1引脚和XTAL2引脚连接一个晶体振荡器或陶瓷振荡器，并接两个电容后接地即可，如图2-10所示。使用时，对于电容的选择有一定的要求，具体如下：
图2-10 内部时钟模式
●当外接晶体振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=30±10pF；
●当外接陶瓷振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=40±10pF。
在实际电路的设计中，应该注意尽量保证外接的振荡器和电容尽可能靠近单片机的XTAL1和XTAL2引脚，这样可以减少寄生电容的影响，使振荡器能够稳定可靠地为单片机CPU提供时钟信号。
外部时钟模式是采用外部振荡器产生时钟信号，直接提供给单片机使用。对于不同结构的单片机，外部时钟信号接入的方式有所不同。
对于普通的8051单片机，外部时钟信号由XTAL2引脚接入后直接送到单片机内部的时钟发生器，而引脚XTAL1则应直接接地，如图2-11所示。这里需要注意，由于XTAL2引脚的逻辑电平不是TTL信号，因此建议外接一个上拉电阻。
图2-11 8051和AT89S52的外部始终模式
对于CMOS型的80C51、80C52、AT89S52等单片机，和普通的8051不同的是其内部的时钟发生器的信号取自于反相放大器的输入端。因此，外部的时钟信号应该接到单片机的XTAL1引脚，而XTAL2引脚则悬空即可。
外部时钟信号的频率应该满足不同单片机的工作频率要求，比如普通的8051频率应该低于12MHz，对于AT89S52则为0～33MHz。如果采用其他的型号，则应具体参考该单片机的数据手册中的说明。
CPU的时序是指令执行所遵从的格式。在单片机内部，振荡器始终驱动内部时钟发生器向CPU提供时钟信号。时钟发生器的输入是一个二分频触发器，这个二分频触发器为单片机提供了一个二相时钟信号，即相位信号P1和相位信号P2，驱动CPU产生执行指令功能的机器周期。
单片机的时序是用定时单位来描述的，其描述了指令执行中各控制信号在时间上的关系，这里涉及节拍、状态、机器周期和指令周期4个概念，接下来分别说明它们之间的关系，示意图如图2-12所示。
●拍（P）：为振荡脉冲的周期，为方便描述，这里用P来表示。它是晶体的振荡周期，或者外部时钟脉冲的周期。拍是51系列单片机中的最小时序单元。
●时钟周期（S）：振荡脉冲信号经过二分频后，便可得到单片机的时钟信号，时钟信号的周期一般用S来表示。一个状态包含两个拍，分别称为P1和P2。时钟周期是单片机CPU中最基本的时间单元，在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。
●机器周期：51系列单片机中规定，一个机器周期由6个时钟周期（S1～S6）组成，再细分可以表示为12个拍组成。从图2-12中可以看出，依次为S1P1、S1P2、S2P1、…、S6P2。如果振荡频率一旦确定，则机器周期也就确定了。比如选用24MHz的晶体振荡器，则对应的机器周期T=500ns。
●指令周期：执行一条指令所需要的时间即指令周期。不同的指令有不同的指令周期，表现为需要不同的机器周期，单周期指令执行需要一个机器周期，双周期指令执行需要两个机器周期。指令的周期一般都在1～4个机器周期范围内，具体可以参考指令表中的介绍。
图2-12 51系列单片机周期的概念
单片机的指令执行过程包括取指令和执行指令两个部分，其是在CPU时钟的步调下实现的。在单片机中，不同指令的长度和指令周期一般各不相同，可以分为单字节单周期指令、双字节单周期指令、双字节双周期指令等。下面介绍几个典型的指令执行时序。
单字节单周期指令的执行时序，如图2-13所示。在每个机器周期内，地址锁存信号ALE出现两次高电平有效信号，一次在S1P2～S2P1，另一次在S4P2～S5P1。这样，一个机器周期内便可以读两次程序存储器代码。
单字节单周期指令在执行时，第一次读取指令代码后便立即开始执行该指令，第二次读的代码将被丢弃，不使用。
图2-13 单字节单周期指令的执行时序
双字节单周期指令的执行时序，如图2-14所示。地址锁存信号ALE仍然在一个机器周期内有效两次。不同于前面，双字节单周期指令在执行时，两次读取的代码都有效，在一个机器周期内便执行完该指令。
图2-14 双字节单周期指令的执行时序
单字节双周期指令的执行时序，如图2-15所示。这类指令执行时，第一次读取指令代码后，其余三次读代码操作均被丢弃，用两个机器周期执行完该指令。
图2-15 单字节双周期指令的执行时序
MOVX类单字节单周期指令的执行时序如图2-16所示。指令第一次读取代码后，第二次读代码操作被丢弃，在第二个机器周期完成外部数据单元的读写。
这里需要说明的是，无论单片机的程序是在单片机内部还是在外部存储器中，其指令读取和执行的时序都是一样的，只不过需要有其他硬件资源的配合。这将在下面一节中介绍。
访问外部ROM/RAM的操作时序，主要发生在外部扩展单片机ROM和RAM的时候。此时，具体的操作时序分别介绍如下。
图2-16 MOVX类单字节单周期指令的执行时序
当对51系列单片机进行外部扩展程序存储器ROM的时候，指令的操作时序便涉及外部存储器的操作。此时除了需要ALE信号外，还需要 PSEN 信号，以及将P0口作为低8位地址，P2口作为高8位地址。访问外部ROM的时序如图2-17所示。
图2-17 读外部ROM时序
其中P0端口作为地址和数据的分时复用，它先输出低8位地址，并利用ALE信号使其锁存起来，这个低8位地址和P2口的高8位地址共同组成16位地址。在 PSEN 信号有效的情况下，便可以从外部ROM中读取指令，再通过P0口送到单片机中。
当对单片机进行了外部RAM扩展，此时单片机访问外部RAM的操作时序和前面有所不同。整个访问外部RAM的操作时序，如图2-18所示，操作需要执行以下两步。
（1）先从外部ROM中取MOVX指令；
（2）根据MOVX指令所给出的数据来选择某个外部RAM单元，然后对该单元进行读写操作。
图2-18 读写外部RAM时序
第一个机器周期用来从外部ROM取指令。在S4P2之后，将取得的指令中的外部RAM地址送出，这时仍然是P0口送出低8位地址，P2口送出高8位地址。ALE信号用来锁存低8位地址。
在第二个机器周期，ALE的第一个有效信号不再出现，而读信号 RD 有效，这样便将外部RAM中的数据送到单片机P0端口。该机器周期第二个ALE有效信号，没有操作进行。对于向外部写操作，只需将 WR 换成 RD 即可，其余时序都不变。