單片機(jī)延時(shí)程序分析

應(yīng)用單片機(jī)的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)遇到需要短時(shí)間延時(shí)的情況。需要的延時(shí)時(shí)間很短，一般都是幾十到幾百微妙(us)。有時(shí)候還需要很高的精度，比如用單片機(jī)驅(qū)動(dòng) DS18B20的時(shí)候，誤差容許的范圍在十幾u(yù)s以內(nèi)，不然很容易出錯(cuò)。這種情況下，用計(jì)時(shí)器往往有點(diǎn)小題大做。而在極端的情況下，計(jì)時(shí)器甚至已經(jīng)全部派上了別的用途。這時(shí)就需要我們另想別的辦法了。
匯編語(yǔ)言寫(xiě)單片機(jī)程序的時(shí)候，這個(gè)問(wèn)題還是相對(duì)容易解決的。比如用的是12MHz晶振的51，打算延時(shí)20us，只要用下面的代碼，就可以滿足一般的需要：
mov r0, #09h
loop: djnz r0, loop
51 單片機(jī)的指令周期是晶振頻率的1/12，也就是1us一個(gè)周期。mov r0, #09h需要2個(gè)極其周期，djnz也需要2個(gè)極其周期。那么存在r0里的數(shù)就是(20-2)/2。用這種方法，可以非常方便的實(shí)現(xiàn)256us以下時(shí)間的延時(shí)。如果需要更長(zhǎng)時(shí)間，可以使用兩層嵌套。而且精度可以達(dá)到2us，一般來(lái)說(shuō)，這已經(jīng)足夠了。
現(xiàn)在，應(yīng)用更廣泛的毫無(wú)疑問(wèn)是Keil的 C編譯器。相對(duì)匯編來(lái)說(shuō)，C固然有很多優(yōu)點(diǎn)，比如程序易維護(hù)，便于理解，適合大的項(xiàng)目。但缺點(diǎn)（我覺(jué)得這是C的唯一一個(gè)缺點(diǎn)了）就是實(shí)時(shí)性沒(méi)有保證，無(wú)法預(yù)測(cè)代碼執(zhí)行的指令周期。因而在實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合，還需要匯編和C的聯(lián)合應(yīng)用。但是是不是這樣一個(gè)延時(shí)程序，也需要用匯編來(lái)實(shí)現(xiàn)呢？為了找到這個(gè)答案，我做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。
用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)延時(shí)程序，首先想到的就是C常用的循環(huán)語(yǔ)句。下面這段代碼是我經(jīng)常在網(wǎng)上看到的：
void delay2(unsigned char i)
{
for(; i != 0; i--);
}
到底這段代碼能達(dá)到多高的精度呢？為了直接衡量這段代碼的效果，我把 Keil C 根據(jù)這段代碼產(chǎn)生的匯編代碼找了出來(lái)：
; FUNCTION _delay2 (BEGIN)
; SOURCE LINE # 18
;---- Variable i assigned to Register R7 ----
; SOURCE LINE # 19
; SOURCE LINE # 20
0000 ?C0007:
0000 EF MOV A,R7
0001 6003 JZ ?C0010
0003 1F DEC R7
0004 80FA SJMP ?C0007
; SOURCE LINE # 21
0006 ?C0010:
0006 22 RET
; FUNCTION _delay2 (END)
真是不看不知道~~~一看才知道這個(gè)延時(shí)程序是多么的不準(zhǔn)點(diǎn)~~~光看主要的那四條語(yǔ)句，就需要6個(gè)機(jī)器周期。也就是說(shuō)，它的精度頂多也就是6us而已，這還沒(méi)算上一條 lcall 和一條 ret。如果我們把調(diào)用函數(shù)時(shí)賦的i值根延時(shí)長(zhǎng)度列一個(gè)表的話，就是：
i delay time/us
0 6
1 12
2 18
...
因?yàn)楹瘮?shù)的調(diào)用需要2個(gè)時(shí)鐘周期的lcall，所以delay time比從函數(shù)代碼的執(zhí)行時(shí)間多2。順便提一下，有的朋友寫(xiě)的是這樣的代碼：
void delay2(unsigned char i)
{
unsigned char a;
for(a = i; a != 0; a--);
}
可能有人認(rèn)為這會(huì)生成更長(zhǎng)的匯編代碼來(lái)，但是事實(shí)證明：
; FUNCTION _delay2 (BEGIN)
; SOURCE LINE # 18
;---- Variable i assigned to Register R7 ----
; SOURCE LINE # 19
; SOURCE LINE # 21
;---- Variable a assigned to Register R7 ----
0000 ?C0007:
0000 EF MOV A,R7
0001 6003 JZ ?C0010
0003 1F DEC R7
0004 80FA SJMP ?C0007
; SOURCE LINE # 22
0006 ?C0010:
0006 22 RET
; FUNCTION _delay2 (END)
其生成的代碼是一樣的。不過(guò)這的確不是什么好的習(xí)慣。因?yàn)檫@里實(shí)在沒(méi)有必要再引入多余的變量。我們繼續(xù)討論正題。有的朋友為了得當(dāng)更長(zhǎng)的延時(shí)，甚至用了這樣的代碼：
void delay2(unsigned long i)
{
for(; i != 0; i--);
}
這段代碼產(chǎn)生的匯編代碼是什么樣子的？其實(shí)不用想也知道它是如何恐怖的$#^%%$......讓我們看一看：
; FUNCTION _delay2 (BEGIN)
; SOURCE LINE # 18
0000 8F00 R MOV i+03H,R7
0002 8E00 R MOV i+02H,R6
0004 8D00 R MOV i+01H,R5
0006 8C00 R MOV i,R4
; SOURCE LINE # 19
; SOURCE LINE # 20
0008 ?C0007:
0008 E4 CLR A
0009 FF MOV R7,A
000A FE MOV R6,A
000B FD MOV R5,A
000C FC MOV R4,A
000D AB00 R MOV R3,i+03H
000F AA00 R MOV R2,i+02H
0011 A900 R MOV R1,i+01H
0013 A800 R MOV R0,i
0015 C3 CLR C
0016 120000 E LCALL ?C?ULCMP
0019 601A JZ ?C0010
001B E500 R MOV A,i+03H
001D 24FF ADD A,#0FFH
001F F500 R MOV i+03H,A
0021 E500 R MOV A,i+02H
0023 34FF ADDC A,#0FFH
0025 F500 R MOV i+02H,A
0027 E500 R MOV A,i+01H
0029 34FF ADDC A,#0FFH
002B F500 R MOV i+01H,A
002D E500 R MOV A,i
002F 34FF ADDC A,#0FFH
0031 F500 R MOV i,A
0033 80D3 SJMP ?C0007
; SOURCE LINE # 21
0035 ?C0010:
0035 22 RET
; FUNCTION _delay2 (END)
呵呵，這倒是的確可以延遲很長(zhǎng)時(shí)間~~~但是毫無(wú)精度可言了。
那么，用C到底能不能實(shí)現(xiàn)精確的延時(shí)呢？我把代碼稍微改了一下：
void delay1(unsigned char i)
{
while(i--);
}
因?yàn)楦鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)，越簡(jiǎn)潔的C代碼往往也能得出越簡(jiǎn)潔的機(jī)器代碼。那這樣結(jié)果如何呢？把它生成的匯編代碼拿出來(lái)看一看就知道了。滿懷希望的我按下了“Build target”鍵，結(jié)果打擊是巨大的：
; FUNCTION _delay1 (BEGIN)
; SOURCE LINE # 13
;---- Variable i assigned to Register R7 ----
; SOURCE LINE # 14
0000 ?C0004:
; SOURCE LINE # 15
0000 AE07 MOV R6,AR7
0002 1F DEC R7
0003 EE MOV A,R6
0004 70FA JNZ ?C0004
; SOURCE LINE # 16
0006 ?C0006:
0006 22 RET
; FUNCTION _delay1 (END)
雖說(shuō)生成的代碼跟用for語(yǔ)句是不大一樣，不過(guò)我可以毫無(wú)疑問(wèn)的說(shuō)，這兩種方法的效率是一樣的。似乎到此為止了，因?yàn)槲覍?shí)在想不出來(lái)源程序還有什么簡(jiǎn)化的余地?？磥?lái)我就要得出來(lái)這個(gè)結(jié)論了：“如果需要us級(jí)的延時(shí)精度，需要時(shí)用匯編語(yǔ)言?！钡钦娴氖沁@樣嗎？我還是不甘心。因?yàn)槲也幌嘈糯竺ΧΦ?Keil C 編譯器居然連 djnz 都不會(huì)用？？？因?yàn)閷?shí)際上程序體里只需要一句 loop: djnz r7, loop。近乎絕望之際（往往人在這種情況下確可以爆發(fā)出來(lái)，哦呵呵呵~~~），我隨手改了一下：
void delay1(unsigned char i)
{
while(--i);
}
心不在焉的編譯，看源碼：
; FUNCTION _delay1 (BEGIN)
; SOURCE LINE # 13
;---- Variable i assigned to Register R7 ----
; SOURCE LINE # 14
0000 ?C0004:
; SOURCE LINE # 15
0000 DFFE DJNZ R7,?C0004
; SOURCE LINE # 16
0002 ?C0006:
0002 22 RET
; FUNCTION _delay1 (END)
天~~~奇跡出現(xiàn)了......我想這個(gè)程序應(yīng)該已經(jīng)可以滿足一般情況下的需要了。如果列個(gè)表格的話：
i delay time/us
1 5
2 7
3 9
...
計(jì)算延時(shí)時(shí)間時(shí)，已經(jīng)算上了調(diào)用函數(shù)的lcall語(yǔ)句所花的2個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間。