Keil C51程序設(shè)計(jì)中幾種精確延時方法

實(shí)際的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程中，由于程序功能的需要，經(jīng)常編寫各種延時程序，延時時間從數(shù)微秒到數(shù)秒不等，對于許多C51開發(fā)者特別是初學(xué)者編制非常精確的延時程序有一定難度。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，討論幾種實(shí)用的編制精確延時程序和計(jì)算程序執(zhí)行時間的方法，并給出各種方法使用的詳細(xì)步驟，以便讀者能夠很好地掌握理解。

關(guān)鍵詞  Keil C51  精確延時  程序執(zhí)行時間

引言

　　單片機(jī)因具有體積小、功能強(qiáng)、成本低以及便于實(shí)現(xiàn)分布式控制而有非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域[1]。單片機(jī)開發(fā)者在編制各種應(yīng)用程序時經(jīng)常會遇到實(shí)現(xiàn)精確延時的問題，比如按鍵去抖、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫家诔绦蛑胁迦胍欢位驇锥窝訒r，時間從幾十微秒到幾秒。有時還要求有很高的精度，如使用單總線芯片DS18B20時，允許誤差范圍在十幾微秒以內(nèi)[2]，否則，芯片無法工作。用51匯編語言寫程序時，這種問題很容易得到解決，而目前開發(fā)嵌入式系統(tǒng)軟件的主流工具為C語言，用C51寫延時程序時需要一些技巧[3]。因此，在多年單片機(jī)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，介紹幾種實(shí)用的編制精確延時程序和計(jì)算程序執(zhí)行時間的方法。

　　實(shí)現(xiàn)延時通常有兩種方法：一種是硬件延時，要用到定時器/計(jì)數(shù)器，這種方法可以提高CPU的工作效率，也能做到精確延時；另一種是軟件延時，這種方法主要采用循環(huán)體進(jìn)行。

1  使用定時器/計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)精確延時

　　單片機(jī)系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)的波特率，后兩種的一個機(jī)器周期分別為1 μs和2 μs，便于精確延時。本程序中假設(shè)使用頻率為12 MHz的晶振。最長的延時時間可達(dá)216=65 536 μs。若定時器工作在方式2，則可實(shí)現(xiàn)極短時間的精確延時；如使用其他定時方式，則要考慮重裝定時初值的時間（重裝定時器初值占用2個機(jī)器周期）。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，定時常采用中斷方式，如進(jìn)行適當(dāng)?shù)难h(huán)可實(shí)現(xiàn)幾秒甚至更長時間的延時。使用定時器/計(jì)數(shù)器延時從程序的執(zhí)行效率和穩(wěn)定性兩方面考慮都是最佳的方案。但應(yīng)該注意，C51編寫的中斷服務(wù)程序編譯后會自動加上PUSH ACC、PUSH PSW、POP PSW和POP ACC語句，執(zhí)行時占用了4個機(jī)器周期；如程序中還有計(jì)數(shù)值加1語句，則又會占用1個機(jī)器周期。這些語句所消耗的時間在計(jì)算定時初值時要考慮進(jìn)去，從初值中減去以達(dá)到最小誤差的目的。

2  軟件延時與時間計(jì)算

　　在很多情況下，定時器/計(jì)數(shù)器經(jīng)常被用作其他用途，這時候就只能用軟件方法延時。下面介紹幾種軟件延時的方法。

2.1  短暫延時

　　可以在C文件中通過使用帶_NOP_( )語句的函數(shù)實(shí)現(xiàn)，定義一系列不同的延時函數(shù)，如Delay10us( )、Delay25us( )、Delay40us( )等存放在一個自定義的C文件中，需要時在主程序中直接調(diào)用。如延時10 μs的延時函數(shù)可編寫如下：

　　void Delay10us( ) {
　　　　_NOP_( );
　　　　_NOP_( );
　　　　_NOP_( );
　　　　_NOP_( );
　　　　_NOP_( );
　　　　_NOP_( );
　　}

　　Delay10us( )函數(shù)中共用了6個_NOP_( )語句，每個語句執(zhí)行時間為1 μs。主函數(shù)調(diào)用Delay10us( )時，先執(zhí)行一個LCALL指令（2 μs），然后執(zhí)行6個_NOP_( )語句（6 μs），最后執(zhí)行了一個RET指令（2 μs），所以執(zhí)行上述函數(shù)時共需要10 μs?！　】梢园堰@一函數(shù)當(dāng)作基本延時函數(shù)，在其他函數(shù)中調(diào)用，即嵌套調(diào)用[4]，以實(shí)現(xiàn)較長時間的延時；但需要注意，如在Delay40us( )中直接調(diào)用4次Delay10us( )函數(shù)，得到的延時時間將是42 μs，而不是40 μs。這是因?yàn)閳?zhí)行Delay40us( )時，先執(zhí)行了一次LCALL指令（2 μs），然后開始執(zhí)行第一個Delay10us( )，執(zhí)行完最后一個Delay10us( )時，直接返回到主程序。依此類推，如果是兩層嵌套調(diào)用，如在Delay80us( )中兩次調(diào)用Delay40us( )，則也要先執(zhí)行一次LCALL指令（2 μs），然后執(zhí)行兩次Delay40us( )函數(shù)（84 μs），所以，實(shí)際延時時間為86 μs。簡言之，只有最內(nèi)層的函數(shù)執(zhí)行RET指令。該指令直接返回到上級函數(shù)或主函數(shù)。如在Delay80μs( )中直接調(diào)用8次Delay10us( )，此時的延時時間為82 μs。通過修改基本延時函數(shù)和適當(dāng)?shù)慕M合調(diào)用，上述方法可以實(shí)現(xiàn)不同時間的延時。

2.2  在C51中嵌套匯編程序段實(shí)現(xiàn)延時

　　在C51中通過預(yù)處理指令#pragma asm和#pragma endasm可以嵌套匯編語言語句。用戶編寫的匯編語言緊跟在#pragma asm之后，在#pragma endasm之前結(jié)束。

　　如：#pragma asm
　　　　…
　　　　匯編語言程序段
　　　　…
　　　　#pragma endasm

　　延時函數(shù)可設(shè)置入口參數(shù)，可將參數(shù)定義為unsigned char、int或long型。根據(jù)參數(shù)與返回值的傳遞規(guī)則，這時參數(shù)和函數(shù)返回值位于R7、R7R6、R7R6R5中。在應(yīng)用時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

　　◆ #pragma asm、#pragma endasm不允許嵌套使用；
　　◆ 在程序的開頭應(yīng)加上預(yù)處理指令#pragma asm，在該指令之前只能有注釋或其他預(yù)處理指令；
　　◆ 當(dāng)使用asm語句時，編譯系統(tǒng)并不輸出目標(biāo)模塊，而只輸出匯編源文件；
　　◆ asm只能用小寫字母，如果把a(bǔ)sm寫成大寫，編譯系統(tǒng)就把它作為普通變量；
　　◆ #pragma asm、#pragma endasm和 asm只能在函數(shù)內(nèi)使用。

　　將匯編語言與C51結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，無疑是單片機(jī)開發(fā)人員的最佳選擇。

2.3  使用示波器確定延時時間

　　熟悉硬件的開發(fā)人員，也可以利用示波器來測定延時程序執(zhí)行時間。方法如下：編寫一個實(shí)現(xiàn)延時的函數(shù)，在該函數(shù)的開始置某個I/O口線如P1.0為高電平，在函數(shù)的最后清P1.0為低電平。在主程序中循環(huán)調(diào)用該延時函數(shù)，通過示波器測量P1.0引腳上的高電平時間即可確定延時函數(shù)的執(zhí)行時間。方法如下：

　　sbit T_point = P1^0;
　　void Dly1ms(void) {
　　　　unsigned int i,j;
　　　　while (1) {
　　　　　　T_point = 1;
　　　　　　for(i=0;i<2;i++){
　　　　　　　　for(j=0;j<124;j++){;}
　　　　　　}
　　　　　　T_point = 0;
　　　　　　for(i=0;i<1;i++){
　　　　　　　　for(j=0;j<124;j++){;}
　　　　　　}
　　　　}
　　}
　　void main (void) {
　　　　Dly1ms();
　　}

　　把P1.0接入示波器，運(yùn)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(jié)構(gòu)“for(j=0;j<124;j++) {;}”的執(zhí)行時間為1 ms。通過改變循環(huán)次數(shù)，可得到不同時間的延時。當(dāng)然，也可以不用for循環(huán)而用別的語句實(shí)現(xiàn)延時。這里討論的只是確定延時的方法。

2.4  使用反匯編工具計(jì)算延時時間

　　對于不熟悉示波器的開發(fā)人員可用Keil C51中的反匯編工具計(jì)算延時時間，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(biāo)應(yīng)用程序。為了說明這種方法，還使用“for (i=0;i<DlyT;i++) {;}”。在程序中加入這一循環(huán)結(jié)構(gòu)，首先選擇build taget，然后單擊start/stop debug session按鈕進(jìn)入程序調(diào)試窗口，最后打開Disassembly window，找出與這部分循環(huán)結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的匯編代碼，具體如下：

　　C:0x000FE4CLRA//1T
　　C:0x0010FEMOVR6,A//1T
　　C:0x0011EEMOVA,R6//1T
　　C:0x0012C3CLRC//1T
　　C:0x00139FSUBBA,DlyT //1T
　　C:0x00145003JNCC:0019//2T
　　C:0x00160E INCR6//1T
　　C:0x001780F8SJMPC:0011//2T

　　可以看出，0x000F～0x0017一共8條語句，分析語句可以發(fā)現(xiàn)并不是每條語句都執(zhí)行DlyT次。核心循環(huán)只有0x0011~0x0017共6條語句，總共8個機(jī)器周期，第1次循環(huán)先執(zhí)行“CLR A”和“MOV R6，A”兩條語句，需要2個機(jī)器周期，每循環(huán)1次需要8個機(jī)器周期，但最后1次循環(huán)需要5個機(jī)器周期。DlyT次核心循環(huán)語句消耗（2+DlyT×8+5）個機(jī)器周期，當(dāng)系統(tǒng)采用12 MHz時，精度為7 μs。

　　當(dāng)采用while (DlyT--)循環(huán)體時，DlyT的值存放在R7中。相對應(yīng)的匯編代碼如下：

　　C:0x000FAE07MOVR6, R7//1T
　　C:0x00111F DECR7//1T
　　C:0x0012EE MOVA,R6//1T
　　C:0x001370FAJNZC:000F//2T

　　循環(huán)語句執(zhí)行的時間為（DlyT+1）×5個機(jī)器周期，即這種循環(huán)結(jié)構(gòu)的延時精度為5 μs。

　　通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如將while (DlyT--)改為while (--DlyT)，經(jīng)過反匯編后得到如下代碼：

　　C:0x0014DFFE DJNZR7,C:0014//2T

　　可以看出，這時代碼只有1句，共占用2個機(jī)器周期，精度達(dá)到2 μs，循環(huán)體耗時DlyT×2個機(jī)器周期；但這時應(yīng)該注意，DlyT初始值不能為0。

　　這3種循環(huán)結(jié)構(gòu)的延時與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如表1所列。

表1  循環(huán)次數(shù)與延時時間關(guān)系單位：μs

　　注意：計(jì)算時間時還應(yīng)加上函數(shù)調(diào)用和函數(shù)返回各2個機(jī)器周期時間。

2.5  使用性能分析器計(jì)算延時時間

　　很多C程序員可能對匯編語言不太熟悉，特別是每個指令執(zhí)行的時間是很難記憶的，因此，再給出一種使用Keil C51的性能分析器計(jì)算延時時間的方法。這里還以前面介紹的for (i=0;i<124;i++)結(jié)構(gòu)為例。使用這種方法時，必須先設(shè)置系統(tǒng)所用的晶振頻率，選擇Options for target中的target選項(xiàng)，在Xtal(MHz)中填入所用晶振的頻率。將程序編譯后，分別在_point = 1和T_point = 0處設(shè)置兩個運(yùn)行斷點(diǎn)。選擇start/stop debug session按鈕進(jìn)入程序調(diào)試窗口，分別打開Performance Analyzer window和Disassembly window。運(yùn)行程序前，要首先將程序復(fù)位，計(jì)時器清零；然后按F5鍵運(yùn)行程序，從程序效率評估窗口的下部分可以看到程序到了第一個斷點(diǎn)，也就是所要算的程序段的開始處，用了389 μs；再按F5鍵，程序到了第2個斷點(diǎn)處也就是所要算的程序段的結(jié)束處，此時時間為1 386 μs。最后用結(jié)束處的時間減去開始處時間，就得到循環(huán)程序段所占用的時間為997 μs。

　　當(dāng)然也可以不用打開Performance Analyzer window，這時觀察左邊工具欄秒（SEC）項(xiàng)。全速運(yùn)行時，時間不變，只有當(dāng)程序運(yùn)行到斷點(diǎn)處，才顯示運(yùn)行所用的時間。

3  總結(jié)

　　本文介紹了多種實(shí)現(xiàn)并計(jì)算延時程序執(zhí)行時間的方法。使用定時器進(jìn)行延時是最佳的選擇，可以提高M(jìn)CU工作效率，在無法使用定時器而又需要實(shí)現(xiàn)比較精確的延時時，后面介紹的幾種方法可以實(shí)現(xiàn)不等時間的延時： 使用自定義頭文件的優(yōu)點(diǎn)是，可實(shí)現(xiàn)任意時間長短的延時，并減少主程序的代碼長度，便于對程序的閱讀理解和維護(hù)。編寫延時程序是一項(xiàng)很麻煩的任務(wù)，可能需要多次修改才能滿足要求。掌握延時程序的編寫，能夠使程序準(zhǔn)確得以執(zhí)行，這對項(xiàng)目開發(fā)有著重要的意義。本文所討論的幾種方法，都是來源于實(shí)際項(xiàng)目的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，有著很好的實(shí)用性和適應(yīng)性。