單片機C程序延時精度研究
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1 C語言程序延時
Keil C51的編程語言常用的有2種： 一種是匯編語言；另一種是C 語言。用匯編語言寫單片機程序時，精確時間延時是相對容易解決的。比如，用的是晶振頻率為12 MHz的AT89C51，打算延時20 μs，51單片機的指令周期是晶振頻率的1/12，即一個機器周期為1 μs；“MOV R0,#X”需要2個機器周期，DJNZ也需要2個機器周期，單循環延時時間t=2X+3(X為裝入寄存器R0的時間常數)[2]。這樣，存入R0里的數初始化為8即可，其精度可以達到1 μs。用這種方法，可以非常方便地實現512 μs以下時間的延時。如果需要更長時間，可以使用兩層或更多層的嵌套，當然其精度誤差會隨著嵌套層的增加而成倍增加。
雖然匯編語言的機器代碼生成效率很高，但可讀性卻并不強，復雜一點的程序就更難讀懂；而C語言在大多數情況下，其機器代碼生成效率和匯編語言相當，但可讀性和可移植性卻遠遠超過匯編語言，且C 語言還可以嵌入匯編程序來解決高時效性的代碼編寫問題。就開發周期而言，中大型軟件的編寫使用C 語言的開發周期通常要比匯編語言短很多，因此研究C語言程序的精確延時性能具有重要的意義[3]。
C程序中可使用不同類型的變量來進行延時設計。經實驗測試，使用unsigned char類型具有比unsigned int更優化的代碼，在使用時應該使用unsigned char作為延時變量。
2 單層循環延時精度分析
下面是進行μs級延時的while程序代碼。
延時函數：
void delay1(unsigned char i) {
while(i );}
主函數：
void main() {
while(1) {
delay1(i);
}
}
使用Keil C51的反匯編功能，延時函數的匯編代碼如下：
C:0x00E6AE07MOVR6,0x07
C:0x00E81FDECR7
C:0x00E9EEMOVA,R6
C:0x00EA70FAJNZC:00E6
C:0x00EC22RET
圖1 斷點設置位置圖
通過對i賦值為10，在主程序中圖1所示的位置設置斷點。經過測試，第1次執行到斷點處的時間為457 μs，再次執行到該處的時間為531 μs，第3次執行到斷點處的時間為605 μs，10次while循環的時間為74 μs，整個測試結果如圖2所示。
圖2 使用i--方式測試仿真結果圖
通過對匯編代碼分析，時間延遲t=7X+4(其中X為i的取值)。測試表明，for循環方式雖然生成的代碼與用while語句不大一樣，但是這兩種方法的效率幾乎相同。C語言中的自減方式有兩種，前面都使用的是i--的方式，能不能使用--i方式來獲得不同的效果呢？將前面的主函數保持不變，delay1函數修改為下面的方式：
void delay1(unsigned char i) {
while(--i);}
同樣進行反匯編，得到如下結果：
C:0x00E3DFFEDJNZR7,
C:00E3C:0x00E522RET
比較發現，--i的匯編代碼效率明顯高于i--方式。由于只有1條語句DJNZ，執行只需要2個時鐘周期， 1個時鐘周期按1 μs計算，其延時精度為2 μs；另外，RET需要2個時鐘周期，能夠達到匯編語言代碼的效率。按前面的測試條件進行測試，第1次執行到斷點處的時間為437 μs，再次執行到該處的時間為465 μs，第3次執行到斷點處的時間為493 μs，10次while循環的時間為28 μs，整個測試結果如圖3所示。
圖3 使用--i方式測試仿真結果圖
調整i的取值，i取8時延時時間為24 μs，i取9時延時時間為26 μs。通過分析得出，10次循環為28 μs是由于外層循環造成的，其精度可以達到2 μs。在設計時應該考慮參數傳遞和RET語句執行所需要的時間周期。實驗分析發現，for語句使用--i方式，同樣能夠達到與匯編代碼相同的精度。i取不同值時延時仿真結果如圖4所示。
圖4 i取不同值時延時仿真結果圖
3 多重嵌套下的C程序延時
在某些情況下，延時較長，僅使用單層循環方式是不能完成的。此時，只能使用多層循環方式，那么多重循環條件下，C程序的精度如何呢？下面是一個使用for語句實現1 s延時的函數。
延時函數
void delay1s(void) {
for(k=100;k>0;k--) //定時1 s
for(i=20;i>0;i--)
for(j=248;j>0;j--);
}
主函數調用延時函數代碼段：
while(1) {
delay1s();
scond+=1;
}
為了直接衡量這段代碼的效果，利用Keil C找出這段代碼產生的匯編代碼：
C:0x00B37002JNZ
C:00B7C:0x00B5150CDEC0x0C
C:0x00B7E50DMOVA,0x0D
C:0x00B9450CORLA,0x0C
C:0x00BB70DEJNZC:009B
C:0x00BDE50BMOVA,0x0B
C:0x00BF150BDEC0x0B
C:0x00C17002JNZC:00C5
C:0x00C3150ADEC0x0A
C:0x00C5E50BMOVA,0x0B
C:0x00C7450AORLA,0x0A
C:0x00C970CAJNZC:0095
C:0x00CB22RET
分析匯編代碼，其他匯編代碼使用的不是DJNZ跳轉方式，而是DEC和JNZ語句來實現循環判斷。1條JNZ指令要花費2個時鐘周期，3條指令就需要6個機器周期，MOV指令和DEC指令各需要1小時鐘周期，1個時鐘周期按1 μs算，其精度最多達到8 μs，最后加上一條LCALL和一條RET語句，所以整個延時精度較差[4]。
利用Keil C的測試工具，在一處設置一個斷點。第1次執行到中斷處的時間為0.000 513 s,第2次執行到中斷處的時間為1.000 922 s,時間延遲為1.000 409 s，測試結果如圖5所示。對于上面的3種循環嵌套,循環次數為100×20×248=496 000,每次循環的時間約為2 μs。
圖5 三重嵌套循環1 s實現時間測試結果
為獲取與匯編語言延時的差距，同樣進行1 s的延時，程序代碼段如下：
LCALL DELY1S
INC Second
DELY1S:MOV R5,#100
D2:MOV R6,#20
D1:MOV R7,#248
DJNZ R7,＄
DJNZ R6,D1
DJNZ R5,D2
RET
通過Keil C51測試，其實際延遲時間為0.997 943 s。雖然C語言實現延時方式的匯編代碼復雜度增加，但是與匯編語言實現的方式性能差距并不大。
4 總結
匯編語言在實時性方面具有較大的優越性，雖然使用Keil C51可以在C語言程序中嵌入匯編代碼，但是復雜度明顯提高。實驗證明，只要合理地運用C語言，在延時編程方面就可以達到與匯編語言相近的精度。為了獲得精確的時間延遲，可通過Keil C工具的仿真功能，調整延遲量，從而得到較理想的結果。
參考文獻
[1] InfiniteSpace Studio/isjfk. 51單片機KeilC延時程序的簡單研究[EB/OL]. http://www.icwin.net/ShowArtitle.ASP?art_id=5564cat_id=33.
[2] 沈舷. 延時程序延時時間的精確計算.電工技術與自動化[J]. 2005,34(6):152-153,157.
[3] 蹇興亮.單片機定時中斷的精確定時編程方法種種[J].單片機與嵌入式系統應用,2004(8).
[4] 聶毅.單片機定時器中斷時間誤差的分析及補償[J].微計算機信息，2002,18(4):37-38.
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