51單片機(jī) Keil C 延時(shí)程序的簡單研究

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。
　　以前用匯編語言寫單片機(jī)程序的時(shí)候，這個(gè)問題還是相對容易解決的。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)。如果需要更長時(shí)間，可以使用兩層嵌套。而且精度可以達(dá)到2us，一般來說，這已經(jīng)足夠了。
　　現(xiàn)在，應(yīng)用更廣泛的毫無疑問是Keil的C編譯器。相對匯編來說，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)（我覺得這是C的唯一一個(gè)缺點(diǎn)了）就是實(shí)時(shí)性沒有保證，無法預(yù)測代碼執(zhí)行的指令周期。因而在實(shí)時(shí)性要求高的場合，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：
　　　　　　 ; 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句，就需要6個(gè)機(jī)器周期。也就是說，它的精度頂多也就是6us而已，這還沒算上一條 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)生成更長的匯編代碼來，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。不過這的確不是什么好的習(xí)慣。因?yàn)檫@里實(shí)在沒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時(shí)間~~~但是毫無精度可言了。
　　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)，越簡潔的C代碼往往也能得出越簡潔的機(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)
雖說生成的代碼跟用for語句是不大一樣，不過我可以毫無疑問的說，這兩種方法的效率是一樣的。似乎到此為止了，因?yàn)槲覍?shí)在想不出來源程序還有什么簡化的余地。看來我就要得出來這個(gè)結(jié)論了：“如果需要us級的延時(shí)精度，需要時(shí)用匯編語言。”但是真的是這樣嗎？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，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語句所花的2個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間。
　　終于，結(jié)果已經(jīng)明了了。只要合理的運(yùn)用，C還是可以達(dá)到意想不到的效果。很多朋友抱怨C效率比匯編差了很多，其實(shí)如果對Keil C的編譯原理有一個(gè)較深入的理解，是可以通過恰當(dāng)?shù)恼Z法運(yùn)用，讓生成的C代碼達(dá)到最優(yōu)化。即使這看起來不大可能，但還是有一些簡單的原則可循的：1.盡量使用unsigned型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。2.盡量使用char型，實(shí)在不夠用再用int，然后才是long。3.如果有可能，不要用浮點(diǎn)型。4.使用簡潔的代碼，因?yàn)榘凑战?jīng)驗(yàn)，簡潔的C代碼往往可以生成簡潔的目標(biāo)代碼（雖說不是在所有的情況下都成立）。5...想不起來了，哦呵呵呵~~~

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