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單片機因具有體積小、功能強、成本低以及便于實(shí)現分布式控制而有非常廣泛的應用領(lǐng)域[1]。單片機開(kāi)發(fā)者在編制各種應用程序時(shí)經(jīng)常會(huì )遇到實(shí)現精確延時(shí)的問(wèn)題，比如按鍵去抖、數據傳輸等操作都要在程序中插入一段或幾段延時(shí)，時(shí)間從幾十微秒到幾秒。有時(shí)還要求有很高的精度，如使用單總線(xiàn)芯片DS18B20時(shí)，允許誤差范圍在十幾微秒以?xún)萚2]，否則，芯片無(wú)法工作。用51匯編語(yǔ)言寫(xiě)程序時(shí)，這種問(wèn)題很容易得到解決，而目前開(kāi)發(fā)嵌入式系統軟件的主流工具為C語(yǔ)言，用C51寫(xiě)延時(shí)程序時(shí)需要一些技巧[3]。因此，在多年單片機開(kāi)發(fā)經(jīng)驗的基礎上，介紹幾種實(shí)用的編制精確延時(shí)程序和計算程序執行時(shí)間的方法。 實(shí)現延時(shí)通常有兩種方法：一種是硬件延時(shí)，要用到定時(shí)器/計數器，這種方法可以提高CPU的工作效率，也能做到精確延時(shí)；另一種是軟件延時(shí)，這種方法主要采用循環(huán)體進(jìn)行。 1 使用定時(shí)器/計數器實(shí)現精確延時(shí) 單片機系統一般常選用11.059 2 MHz、12 MHz或6 MHz晶振。第一種更容易產(chǎn)生各種標準的波特率，后兩種的一個(gè)機器周期分別為1 μs和2 μs，便于精確延時(shí)。本程序中假設使用頻率為12 MHz的晶振。最長(cháng)的延時(shí)時(shí)間可達216=65 536 μs。若定時(shí)器工作在方式2，則可實(shí)現極短時(shí)間的精確延時(shí)；如使用其他定時(shí)方式，則要考慮重裝定時(shí)初值的時(shí)間（重裝定時(shí)器初值占用2個(gè)機器周期）。 在實(shí)際應用中，定時(shí)常采用中斷方式，如進(jìn)行適當的循環(huán)可實(shí)現幾秒甚至更長(cháng)時(shí)間的延時(shí)。使用定時(shí)器/計數器延時(shí)從程序的執行效率和穩定性?xún)煞矫婵紤]都是最佳的方案。但應該注意，C51編寫(xiě)的中斷服務(wù)程序編譯后會(huì )自動(dòng)加上PUSH ACC、PUSH PSW、POP PSW和POP ACC語(yǔ)句，執行時(shí)占用了4個(gè)機器周期；如程序中還有計數值加1語(yǔ)句，則又會(huì )占用1個(gè)機器周期。這些語(yǔ)句所消耗的時(shí)間在計算定時(shí)初值時(shí)要考慮進(jìn)去，從初值中減去以達到最小誤差的目的。 2 軟件延時(shí)與時(shí)間計算 在很多情況下，定時(shí)器/計數器經(jīng)常被用作其他用途，這時(shí)候就只能用軟件方法延時(shí)。下面介紹幾種軟件延時(shí)的方法。 2.1 短暫延時(shí) 可以在C文件中通過(guò)使用帶_NOP_( )語(yǔ)句的函數實(shí)現，定義一系列不同的延時(shí)函數，如Delay10us( )、Delay25us( )、Delay40us( )等存放在一個(gè)自定義的C文件中，需要時(shí)在主程序中直接調用。如延時(shí)10 μs的延時(shí)函數可編寫(xiě)如下： Delay10us( )函數中共用了6個(gè)_NOP_( )語(yǔ)句，每個(gè)語(yǔ)句執行時(shí)間為1 μs。主函數調用Delay10us( )時(shí)，先執行一個(gè)LCALL指令（2 μs），然后執行6個(gè)_NOP_( )語(yǔ)句（6 μs），最后執行了一個(gè)RET指令（2 μs），所以執行上述函數時(shí)共需要10 μs�？梢园堰@一函數當作基本延時(shí)函數，在其他函數中調用，即嵌套調用[4]，以實(shí)現較長(cháng)時(shí)間的延時(shí)；但需要注意，如在Delay40us( )中直接調用4次Delay10us( )函數，得到的延時(shí)時(shí)間將是42 μs，而不是40 μs。這是因為執行Delay40us( )時(shí)，先執行了一次LCALL指令（2 μs），然后開(kāi)始執行第一個(gè)Delay10us( )，執行完最后一個(gè)Delay10us( )時(shí)，直接返回到主程序。依此類(lèi)推，如果是兩層嵌套調用，如在Delay80us( )中兩次調用Delay40us( )，則也要先執行一次LCALL指令（2 μs），然后執行兩次Delay40us( )函數（84 μs），所以，實(shí)際延時(shí)時(shí)間為86 μs。簡(jiǎn)言之，只有最內層的函數執行RET指令。該指令直接返回到上級函數或主函數。如在Delay80μs( )中直接調用8次Delay10us( )，此時(shí)的延時(shí)時(shí)間為82 μs。通過(guò)修改基本延時(shí)函數和適當的組合調用，上述方法可以實(shí)現不同時(shí)間的延時(shí)。 2.2 在C51中嵌套匯編程序段實(shí)現延時(shí) 在C51中通過(guò)預處理指令#pragma asm和#pragma endasm可以嵌套匯編語(yǔ)言語(yǔ)句。用戶(hù)編寫(xiě)的匯編語(yǔ)言緊跟在#pragma asm之后，在#pragma endasm之前結束。 如：#pragma asm … 匯編語(yǔ)言程序段 … #pragma endasm 延時(shí)函數可設置入口參數，可將參數定義為unsigned char、int或long型。根據參數與返回值的傳遞規則，這時(shí)參數和函數返回值位于R7、R7R6、R7R6R5中。在應用時(shí)應注意以下幾點(diǎn)： ◆ #pragma asm、#pragma endasm不允許嵌套使用； ◆ 在程序的開(kāi)頭應加上預處理指令#pragma asm，在該指令之前只能有注釋或其他預處理指令； ◆ 當使用asm語(yǔ)句時(shí)，編譯系統并不輸出目標模塊，而只輸出匯編源文件； ◆ asm只能用小寫(xiě)字母，如果把asm寫(xiě)成大寫(xiě)，編譯系統就把它作為普通變量； ◆ #pragma asm、#pragma endasm和 asm只能在函數內使用。 將匯編語(yǔ)言與C51結合起來(lái)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，無(wú)疑是單片機開(kāi)發(fā)人員的最佳選擇。 2.3 使用示波器確定延時(shí)時(shí)間 熟悉硬件的開(kāi)發(fā)人員，也可以利用示波器來(lái)測定延時(shí)程序執行時(shí)間。方法如下：編寫(xiě)一個(gè)實(shí)現延時(shí)的函數，在該函數的開(kāi)始置某個(gè)I/O口線(xiàn)如P1.0為高電平，在函數的最后清P1.0為低電平。在主程序中循環(huán)調用該延時(shí)函數，通過(guò)示波器測量P1.0引腳上的高電平時(shí)間即可確定延時(shí)函數的執行時(shí)間。方法如下： 把P1.0接入示波器，運行上面的程序，可以看到P1.0輸出的波形為周期是3 ms的方波。其中，高電平為2 ms，低電平為1 ms，即for循環(huán)結構“for(j=0;j 2.4 使用反匯編工具計算延時(shí)時(shí)間 對于不熟悉示波器的開(kāi)發(fā)人員可用Keil C51中的反匯編工具計算延時(shí)時(shí)間，在反匯編窗口中可用源程序和匯編程序的混合代碼或匯編代碼顯示目標應用程序。為了說(shuō)明這種方法，還使用“for (i=0;i： 可以看出，0x000F～0x0017一共8條語(yǔ)句，分析語(yǔ)句可以發(fā)現并不是每條語(yǔ)句都執行DlyT次。核心循環(huán)只有0x0011"0x0017共6條語(yǔ)句，總共8個(gè)機器周期，第1次循環(huán)先執行“CLR A”和“MOV R6，A”兩條語(yǔ)句，需要2個(gè)機器周期，每循環(huán)1次需要8個(gè)機器周期，但最后1次循環(huán)需要5個(gè)機器周期。DlyT次核心循環(huán)語(yǔ)句消耗（2+DlyT×8+5）個(gè)機器周期，當系統采用12 MHz時(shí)，精度為7 μs。 當采用while (DlyT--)循環(huán)體時(shí)，DlyT的值存放在R7中。相對應的匯編代碼如下： 循環(huán)語(yǔ)句執行的時(shí)間為（DlyT+1）×5個(gè)機器周期，即這種循環(huán)結構的延時(shí)精度為5 μs。 通過(guò)實(shí)驗發(fā)現，如將while (DlyT--)改為while (--DlyT)，經(jīng)過(guò)反匯編后得到如下代碼： C:0x0014DFFE DJNZR7,C:0014//2T 可以看出，這時(shí)代碼只有1句，共占用2個(gè)機器周期，精度達到2 μs，循環(huán)體耗時(shí)DlyT×2個(gè)機器周期；但這時(shí)應該注意，DlyT初始值不能為0。 這3種循環(huán)結構的延時(shí)與循環(huán)次數的關(guān)系如表1所列。 表1 循環(huán)次數與延時(shí)時(shí)間關(guān)系單位：μs 注意：計算時(shí)間時(shí)還應加上函數調用和函數返回各2個(gè)機器周期時(shí)間。 2.5 使用性能分析器計算延時(shí)時(shí)間 很多C程序員可能對匯編語(yǔ)言不太熟悉，特別是每個(gè)指令執行的時(shí)間是很難記憶的，因此，再給出一種使用Keil C51的性能分析器計算延時(shí)時(shí)間的方法。這里還以前面介紹的for (i=0;i 當然也可以不用打開(kāi)Performance Analyzer window，這時(shí)觀(guān)察左邊工具欄秒（SEC）項。全速運行時(shí)，時(shí)間不變，只有當程序運行到斷點(diǎn)處，才顯示運行所用的時(shí)間。 3 總結 本文介紹了多種實(shí)現并計算延時(shí)程序執行時(shí)間的方法。使用定時(shí)器進(jìn)行延時(shí)是最佳的選擇，可以提高MCU工作效率，在無(wú)法使用定時(shí)器而又需要實(shí)現比較精確的延時(shí)時(shí)，后面介紹的幾種方法可以實(shí)現不等時(shí)間的延時(shí)： 使用自定義頭文件的優(yōu)點(diǎn)是，可實(shí)現任意時(shí)間長(cháng)短的延時(shí)，并減少主程序的代碼長(cháng)度，便于對程序的閱讀理解和維護。編寫(xiě)延時(shí)程序是一項很麻煩的任務(wù)，可能需要多次修改才能滿(mǎn)足要求。掌握延時(shí)程序的編寫(xiě)，能夠使程序準確得以執行，這對項目開(kāi)發(fā)有著(zhù)重要的意義。本文所討論的幾種方法，都是來(lái)源于實(shí)際項目的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，有著(zhù)很好的實(shí)用性和適應性。 |
