Keil C51程式設計中幾種精確延時方法

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　單片機因具有體積小、功能強、成本低以及便於實現分布式控制而有非常廣泛的應用領域[1]。單片機開發人員在編製各種應用程式時經常會遇到實現精確延時的問題，比如按鍵去抖、資料轉送等操作都要在程式中插入一段或幾段延時，時間從幾十微秒到幾秒。有時還要求有很高的精度，如使用單匯流排晶片DS18B20時，允許誤差範圍在十幾微秒以內[2]，否則，晶片無法工作。用51組合語言寫程式時，這種問題很容易得到解決，而目前開發嵌入式系統軟體的主流工具為C語言，用C51寫延時程式時需要一些技巧[3]。因此，在多年單片機開發經驗的基礎上，介紹幾種實用的編製精確延時程式和計算程式執行時間的方法。

　　實現延時通常有兩種方法：一種是硬體延時，要用到定時器/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；另一種是軟體延時，這種方法主要採用迴圈體進行。

1  使用定時器/計數器實現精確延時

　　單片機系統一般常選用11.059 2 MHz、12 MHz或6 MHz晶振。第一種更容易產生各種標準的傳輸速率，後兩種的一個機器周期分別為1 μs和2 μs，便於精確延時。本程式中假設使用頻率為12 MHz的晶振。最長的延時時間可達216=65 536 μs。若定時器工作在方式2，則可實現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（重裝定時器初值佔用2個機器周期）。

　　在實際應用中，定時常採用中斷方式，如進行適當的迴圈可實現幾秒甚至更長時間的延時。使用定時器/計數器延時從程式的執行效率和穩定性兩方面考慮都是最佳的方案。但應該注意，C51編寫的中斷服務程式編譯後會自動加上PUSH ACC、PUSH PSW、POP PSW和POP ACC語句，執行時佔用了4個機器周期；如程式中還有計數值加1語句，則又會佔用1個機器周期。這些語句所消耗的時間在計算定時初值時要考慮進去，從初值中減去以達到最小誤差的目的。

2  軟體延時與時間計算

　　在很多情況下，定時器/計數器經常被用作其他用途，這時候就只能用軟體方法延時。下面介紹幾種軟體延時的方法。

2.1  短暫延時

　　可以在C檔案中通過使用帶_NOP_( )語句的函數實現，定義一系列不同的延時函數，如Delay10us( )、Delay25us( )、Delay40us( )等存放在一個自訂的C檔案中，需要時在主程式中直接調用。如延時10 μs的延時函數可編寫如下：

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

　　Delay10us( )函數中共用了6個_NOP_( )語句，每個語句執行時間為1 μs。主函數調用Delay10us( )時，先執行一個LCALL指令（2 μs），然後執行6個_NOP_( )語句（6 μs），最後執行了一個RET指令（2 μs），所以執行上述函數時共需要10 μs。　　可以把這一函數當作基本延時函數，在其他函數中調用，即嵌套調用[4]，以實現較長時間的延時；但需要注意，如在Delay40us( )中直接調用4次Delay10us( )函數，得到的延時時間將是42 μs，而不是40 μs。這是因為執行Delay40us( )時，先執行了一次LCALL指令（2 μs），然後開始執行第一個Delay10us( )，執行完最後一個Delay10us( )時，直接返回到主程式。依此類推，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），然後執行兩次Delay40us( )函數（84 μs），所以，實際延時時間為86 μs。簡言之，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( )，此時的延時時間為82 μs。通過修改基本延時函數和適當的組合調用，上述方法可以實現不同時間的延時。

2.2  在C51中嵌套組譯工具段實現延時

　　在C51中通過預先處理指令#pragma asm和#pragma endasm可以嵌套組合語言語句。使用者編寫的組合語言緊跟在#pragma asm之後，在#pragma endasm之前結束。

　　如：#pragma asm
　　　　…
　　　　組合語言程式段
　　　　…
　　　　#pragma endasm

　　延時函數可設定入口參數，可將參數定義為unsigned char、int或long型。根據參數與傳回值的路由規則，這時參數和函數傳回值位於R7、R7R6、R7R6R5中。在應用時應注意以下幾點：

　　◆ #pragma asm、#pragma endasm不允許嵌套使用；
　　◆ 在程式的開頭應加上預先處理指令#pragma asm，在該指令之前只能有注釋或其他預先處理指令；
　　◆ 當使用asm語句時，編譯系統並不輸出目標模組，而只輸出彙編源檔案；
　　◆ asm只能用小寫字母，如果把asm寫成大寫，編譯系統就把它作為普通變數；
　　◆ #pragma asm、#pragma endasm和 asm只能在函數內使用。

　　將組合語言與C51結合起來，充分發揮各自的優勢，無疑是單片機開發人員的最佳選擇。

2.3  使用示波器確定延時時間

　　熟悉硬體的開發人員，也可以利用示波器來測定延時程式執行時間。方法如下：編寫一個實現延時的函數，在該函數的開始置某個I/O口線如P1.0為高電平，在函數的最後清P1.0為低電平。在主程式中迴圈調用該延時函數，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的執行時間。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();
　　}[page]

　　把P1.0接入示波器，運行上面的程式，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迴圈結構“for(j=0;j<124;j++) {;}”的執行時間為1 ms。通過改變迴圈次數，可得到不同時間的延時。當然，也可以不用for迴圈而用別的語句實現延時。這裡討論的只是確定延時的方法。

2.4  使用反組譯碼工具計算延時時間

　　對於不熟悉示波器的開發人員可用Keil C51中的反組譯碼工具計算延時時間，在反組譯碼視窗中可用來源程式和組譯工具的混合代碼或彙編代碼顯示目標應用程式。為了說明這種方法，還使用“for (i=0;i<dlyt;i++) {;}”。在程式中加入這一迴圈結構，首先選擇build="" taget，然後單擊start="" stop="" debug="" session按鈕進入程式調試視窗，最後開啟disassembly="" window，找出與這部分迴圈結構相對應的彙編代碼，具體如下：<="" p="">

　　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，分析語句可以發現並不是每條語句都執行DlyT次。核心迴圈只有0x0011~0x0017共6條語句，總共8個機器周期，第1次迴圈先執行“CLR A”和“MOV R6，A”兩條語句，需要2個機器周期，每迴圈1次需要8個機器周期，但最後1次迴圈需要5個機器周期。DlyT次核心迴圈語句消耗（2+DlyT×8+5）個機器周期，當系統採用12 MHz時，精度為7 μs。

　　當採用while (DlyT--)迴圈體時，DlyT的值存放在R7中。相對應的彙編代碼如下：

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

　　迴圈語句執行的時間為（DlyT+1）×5個機器周期，即這種迴圈結構的延時精度為5 μs。

　　通過實驗發現，如將while (DlyT--)改為while (--DlyT)，經過反組譯碼後得到如下代碼：

　　C:0x0014DFFE DJNZR7,C:0014//2T

　　可以看出，這時代碼只有1句，共佔用2個機器周期，精度達到2 μs，迴圈體耗時DlyT×2個機器周期；但這時應該注意，DlyT初始值不能為0。

　　這3種迴圈結構的延時與迴圈次數的關係如表1所列。

表1  迴圈次數與延時時間關係單位：μs

　　注意：計算時間時還應加上函數調用和函數返回各2個機器周期時間。

2.5  使用效能分析器計算延時時間

　　很多C程式員可能對組合語言不太熟悉，特別是每個指令執行的時間是很難記憶的，因此，再給出一種使用Keil C51的效能分析器計算延時時間的方法。這裡還以前面介紹的for (i=0;i<124;i++)結構為例。使用這種方法時，必須先設定系統所用的晶振頻率，選擇Options for target中的target選項，在Xtal(MHz)中填入所用晶振的頻率。將程式編譯後，分別在_point = 1和T_point = 0處設定兩個運行斷點。選擇start/stop debug session按鈕進入程式調試視窗，分別開啟Performance Analyzer window和Disassembly window。運行程式前，要首先將程式複位，計時器清零；然後按F5鍵運行程式，從程式效率評估視窗的下部分可以看到程式到了第一個斷點，也就是所要算的程式段的開始處，用了389 μs；再按F5鍵，程式到了第2個斷點處也就是所要算的程式段的結束處，此時時間為1 386 μs。最後用結束處的時間減去開始處時間，就得到迴圈程式段所佔用的時間為997 μs。

　　當然也可以不用開啟Performance Analyzer window，這時觀察左邊工具列秒（SEC）項。全速運行時，時間不變，只有當程式運行到斷點處，才顯示運行所用的時間。

3  總結

　　本文介紹了多種實現並計算延時程式執行時間的方法。使用定時器進行延時是最佳的選擇，可以提高MCU工作效率，在無法使用定時器而又需要實現比較精確的延時時，後面介紹的幾種方法可以實現不等時間的延時： 使用自訂標頭檔的優點是，可實現任意時間長短的延時，並減少主程式的代碼長度，便於對程式的閱讀理解和維護。編寫延時程式是一項很麻煩的任務，可能需要多次修改才能滿足要求。掌握延時程式的編寫，能夠使程式準確得以執行，這對項目開發有著重要的意義。本文所討論的幾種方法，都是來源於實際項目的開發經驗，有著很好的實用性和適應性。

Keil C51程式設計中幾種精確延時方法