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Keil C51程序設(shè)計(jì)中幾種精確延時(shí)方法

 liugqing 2011-05-04


摘要 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(shí)程序,延時(shí)時(shí)間從數(shù)微秒到數(shù)秒不等,對(duì)于許多C51開發(fā)者特別是初學(xué)者編制非常精確的延時(shí)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(shí)程序和計(jì)算程序執(zhí)行時(shí)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(shí)  程序執(zhí)行時(shí)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(shí)經(jīng)常會(huì)遇到實(shí)現(xiàn)精確延時(shí)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(shí),時(shí)間從幾十微秒到幾秒。有時(shí)還要求有很高的精度,如使用單總線芯片DS18B20時(shí),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(shí),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(shí)程序時(shí)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(shí)程序和計(jì)算程序執(zhí)行時(shí)間的方法。

  實(shí)現(xiàn)延時(shí)通常有兩種方法:一種是硬件延時(shí),要用到定時(shí)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(shí);另一種是軟件延時(shí),這種方法主要采用循環(huán)體進(jìn)行。

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

  單片機(jī)系統(tǒng)一般常選用11.059 2 MHz12 MHz6 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(gè)機(jī)器周期分別為1 μs2 μs,便于精確延時(shí)。本程序中假設(shè)使用頻率為12 MHz的晶振。最長的延時(shí)時(shí)間可達(dá)216=65 536 μs。若定時(shí)器工作在方式2,則可實(shí)現(xiàn)極短時(shí)間的精確延時(shí);如使用其他定時(shí)方式,則要考慮重裝定時(shí)初值的時(shí)間(重裝定時(shí)器初值占用2個(gè)機(jī)器周期)。

  在實(shí)際應(yīng)用中,定時(shí)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(shí)間的延時(shí)。使用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器延時(shí)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(huì)自動(dòng)加上PUSH ACCPUSH PSW、POP PSWPOP ACC語句,執(zhí)行時(shí)占用了4個(gè)機(jī)器周期;如程序中還有計(jì)數(shù)值加1語句,則又會(huì)占用1個(gè)機(jī)器周期。這些語句所消耗的時(shí)間在計(jì)算定時(shí)初值時(shí)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(shí)與時(shí)間計(jì)算

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

2.1  短暫延時(shí)

  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(shí)函數(shù),如Delay10us( )、Delay25us( )Delay40us( )等存放在一個(gè)自定義的C文件中,需要時(shí)在主程序中直接調(diào)用。如延時(shí)10 μs的延時(shí)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(gè)_NOP_( )語句,每個(gè)語句執(zhí)行時(shí)間為1 μs。主函數(shù)調(diào)用Delay10us( )時(shí),先執(zhí)行一個(gè)LCALL指令(2 μs),然后執(zhí)行6個(gè)_NOP_( )語句(6 μs),最后執(zhí)行了一個(gè)RET指令(2 μs),所以執(zhí)行上述函數(shù)時(shí)共需要10 μs?! 】梢园堰@一函數(shù)當(dāng)作基本延時(shí)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(shí)間的延時(shí);但需要注意,如在Delay40us( )中直接調(diào)用4Delay10us( )函數(shù),得到的延時(shí)時(shí)間將是42 μs,而不是40 μs。這是因?yàn)閳?zhí)行Delay40us( )時(shí),先執(zhí)行了一次LCALL指令(2 μs),然后開始執(zhí)行第一個(gè)Delay10us( ),執(zhí)行完最后一個(gè)Delay10us( )時(shí),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(shí)時(shí)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(jí)函數(shù)或主函數(shù)。如在Delay80μs( )中直接調(diào)用8Delay10us( ),此時(shí)的延時(shí)時(shí)間為82 μs。通過修改基本延時(shí)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(shí)間的延時(shí)。

2.2 c51中嵌套匯編程序段實(shí)現(xiàn)延時(shí)

  在C51中通過預(yù)處理指令#pragma asm#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(shí)函數(shù)可設(shè)置入口參數(shù),可將參數(shù)定義為unsigned charintlong型。根據(jù)參數(shù)與返回值的傳遞規(guī)則,這時(shí)參數(shù)和函數(shù)返回值位于R7R7R6、R7R6R5中。在應(yīng)用時(shí)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(shí),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asm寫成大寫,編譯系統(tǒng)就把它作為普通變量;
  
◆ #pragma asm、#pragma endasm 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(shí)時(shí)間

  熟悉硬件的開發(fā)人員,也可以利用示波器來測定延時(shí)程序執(zhí)行時(shí)間。方法如下:編寫一個(gè)實(shí)現(xiàn)延時(shí)的函數(shù),在該函數(shù)的開始置某個(gè)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(shí)函數(shù),通過示波器測量P1.0引腳上的高電平時(shí)間即可確定延時(shí)函數(shù)的執(zhí)行時(shí)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(shí)間為1 ms。通過改變循環(huán)次數(shù),可得到不同時(shí)間的延時(shí)。當(dāng)然,也可以不用for循環(huán)而用別的語句實(shí)現(xiàn)延時(shí)。這里討論的只是確定延時(shí)的方法。

2.4  使用反匯編工具計(jì)算延時(shí)時(shí)間

  對(duì)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(shí)時(shí)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(duì)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,0x000F0x0017一共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0x0011~0x00176條語句,總共8個(gè)機(jī)器周期,第1次循環(huán)先執(zhí)行“CLR A”“MOV R6,A”兩條語句,需要2個(gè)機(jī)器周期,每循環(huán)1次需要8個(gè)機(jī)器周期,但最后1次循環(huán)需要5個(gè)機(jī)器周期。DlyT次核心循環(huán)語句消耗(2+DlyT×8+5)個(gè)機(jī)器周期,當(dāng)系統(tǒng)采用12 MHz時(shí),精度為7 μs

  當(dāng)采用while (DlyT--)循環(huán)體時(shí),DlyT的值存放在R7中。相對(duì)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(shí)間為(DlyT+1)×5個(gè)機(jī)器周期即這種循環(huán)結(jié)構(gòu)的延時(shí)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(shí)代碼只有1句,共占用2個(gè)機(jī)器周期,精度達(dá)到2 μs,循環(huán)體耗時(shí)DlyT×2個(gè)機(jī)器周期;但這時(shí)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(shí)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如表1所列。

循環(huán)次數(shù)與延時(shí)時(shí)間關(guān)系單位:μs

  注意:計(jì)算時(shí)間時(shí)還應(yīng)加上函數(shù)調(diào)用和函數(shù)返回各2個(gè)機(jī)器周期時(shí)間。

2.5  使用性能分析器計(jì)算延時(shí)時(shí)間

  很多C程序員可能對(duì)匯編語言不太熟悉,特別是每個(gè)指令執(zhí)行的時(shí)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(shí)時(shí)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(shí),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 = 1T_point = 0處設(shè)置兩個(gè)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 windowDisassembly window。運(yùn)行程序前,要首先將程序復(fù)位,計(jì)時(shí)器清零;然后按F5鍵運(yùn)行程序,從程序效率評(píng)估窗口的下部分可以看到程序到了第一個(gè)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(gè)斷點(diǎn)處也就是所要算的程序段的結(jié)束處,此時(shí)時(shí)間為1 386 μs。最后用結(jié)束處的時(shí)間減去開始處時(shí)間,就得到循環(huán)程序段所占用的時(shí)間為997 μs。

  當(dāng)然也可以不用打開Performance Analyzer window,這時(shí)觀察左邊工具欄秒(SEC)項(xiàng)。全速運(yùn)行時(shí),時(shí)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(shí)間。

3  總結(jié)

  本文介紹了多種實(shí)現(xiàn)并計(jì)算延時(shí)程序執(zhí)行時(shí)間的方法。使用定時(shí)器進(jìn)行延時(shí)是最佳的選擇,可以提高M(jìn)CU工作效率,在無法使用定時(shí)器而又需要實(shí)現(xiàn)比較精確的延時(shí)時(shí),后面介紹的幾種方法可以實(shí)現(xiàn)不等時(shí)間的延時(shí): 使用自定義頭文件的優(yōu)點(diǎn)是,可實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間長短的延時(shí),并減少主程序的代碼長度,便于對(duì)程序的閱讀理解和維護(hù)。編寫延時(shí)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(shí)程序的編寫,能夠使程序準(zhǔn)確得以執(zhí)行,這對(duì)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。

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在論壇上看到不少不錯(cuò)的延時(shí)程序,整理如下共同分享:

精確延時(shí)計(jì)算公式:

延時(shí)時(shí)間=[(2*第一層循環(huán)+3)*第二層循環(huán)+3]*第三層循環(huán)+5

 


;延時(shí)5秒左右
DELAY5S:PUSH   04H                
        PUSH   05H            
        PUSH   06H                
        MOV    R4,#50             
DELAY5S_0:MOV  R5,#200                              
DELAY5S_1:MOV  R6,#245                              
        DJNZ   R6,$                         
        DJNZ   R5,DELAY5S_1
        DJNZ   R4,DELAY5S_0                         
        POP    06H                  
        POP    05H                  
        POP    04H                  
        RET                                          

 



;513微秒延時(shí)程序
DELAY:  MOV     R2,#0FEH
DELAY1: DJNZ    R2,DELAY1
 RET

 


;10毫秒延時(shí)程序
DL10MS: MOV     R3,#14H
DL10MS1:LCALL   DELAY
        DJNZ    R3,DL10MS1
        RET

 


;0.1s延時(shí)程序12mhz
DELAY: MOV R6,#250
DL1: MOV R7,#200
DL2: DJNZ R6,DL2
 DJNZ R7,DL1
 RET

 


;延時(shí)1046549微秒(12mhz)
;具體的計(jì)算公式是:
;((((r7*2+1)+2)*r6+1)+2)*r5+1+4 = ((r7*2+3)*r6+3)

*r5+5
DEL : MOV  R5,#08H
DEL1: MOV  R6,#0FFH
DEL2: MOV  R7,#0FFH
        DJNZ  R7,$
        DJNZ  R6,DEL2
        DJNZ  R5,DEL1
        RET

 


;1秒延時(shí)子程序是以12MHz晶振
Delay1S:mov  r1,#50
del0:  mov r2,#91
del1:   mov r3,#100 
        djnz r3,$ 
        djnz r2,del1 
        djnz r1,del0
   Ret

 


;1秒延時(shí)子程序是以12MHz晶振為例算指令周期耗時(shí)
KK: MOV    R5,#10    ;1指令周期1
K1: MOV    R6,#0FFH    ;1指令周期10
K2: MOV    R7,#80H    ;1指令周期256*10=2560
K3: NOP         ;1指令周期

128*256*10=327680
 DJNZ    R7,K3    ;2指令周期

2*128*256*10=655360
 DJNZ    R6,K2    ;2指令周期

2*256*10=5120
 DJNZ    R5,K1    ;2指令周期2*10=20
 RET      
;2指令周期21+10+2560+327680+655360+5120+20+2=990753
;約等于1秒1秒=1000000微秒

 



;這個(gè)算下來也只有0.998抄
T_0:  MOV   R7,#10;
D1:  MOV   R6,#200;
D2:  MOV   R5,#248;
  DJNZ   R5,$
  DJNZ   R6,D2;
  DJNZ   R7,D1;
  RET

 


;這樣算下來應(yīng)該是1.000011秒
T_0:  MOV   R7,#10;
D1:  MOV   R6,#200;
D2:  NOP
  MOV   R5,#248;
  DJNZ   R5,$
  DJNZ   R6,D2;
  DJNZ   R7,D1;
  RET

 


DELAY_2S:   ;10MS(11.0592mhz)
 MOV R3,#200
 JMP DELAY10MS
DELAY_100MS:    ;100MS(11.0592mhz)
 MOV R3,#10
 JMP DELAY10MS
DELAY_10MS:
 MOV R3,#1
DELAY10MS:    ;去抖動(dòng)10MS

 


(11.0592mhz)
 MOV R4,#20
DELAY10MSA:
 MOV R5,#247
 DJNZ R5,$
 DJNZ R4,DELAY10MSA
 DJNZ R3,DELAY10MS
 RET

 



 
DELAY_500MS:                    ;500500MS
 MOV R2,#208
 JMP DELAY_MS
DELAY_175MS:   ;175MS
 MOV R2,#73
 JMP DELAY_MS
delaY_120MS:   ;120MS
 MOV R2,#50
 JMP DELAY_MS
delay_60ms:   ;60ms
 MOV R2,#25
 JMP DELAY_MS
delay_30ms:   ;30ms
 MOV R2,#12
 JMP DELAY_MS
DELAY_5MS:   ;5MS
 MOV R2,#2
;===================================
DELAY_MS:
 CALL DELAY2400
 DJNZ R2,DELAY_MS
RET
;===================================
DELAY2400:   ;10x244+4=2447

/1.024=2390
 MOV  R0,#244  ;1
DELAY24001:
 MUL AB  ;4
 MUL AB  ;4
 DJNZ R0,DELAY24001 ;2
 RET

 


DELAY: ;延時(shí)子程序(1秒)
MOV R0,#0AH
DELAY1: MOV R1,#00H
DELAY2: MOV R2,#0B2H
DJNZ R2,$
DJNZ R1,DELAY2
DJNZ R0,DELAY1
RET


MOV R2,#10 ;延時(shí)1秒
LCALL DELAY
MOV R2,#50 ;延時(shí)5秒
LCALL DELAY
DELAY: ;延時(shí)子程序
PUSH R2
PUSH R1
PUSH R0
DELAY1: MOV R1,#00H
DELAY2: MOV R0,#0B2H
DJNZ R0,$
DJNZ R1,DELAY2 ;延時(shí) 100 mS
DJNZ R2,DELAY1
POP R0
POP R1
POP R2
RET

 


 1:DEL:   MOV   R7,   #200

           DEL1:   MOV   R6,   #123

                        NOP

           DEL2:   DJNZ   R6,   DEL2

                        DJNZ   R7,   DEL1

                        RET

是50.001ms 算法是:
0.001ms+200*0.001ms+200*0.001ms+200*123*0.002ms+200*0.002ms

;(123*2+4)*200+1

 


2: DEL: MOV R7, #200

 DEL1: MOV R6, #123

 DEL2:NOP

      DJNZ R6,DEL2

      DJNZ R7,DEL1

RET

 


D500MS:
PUSH PSW
SETB RS0
MOV R7,#200
D51: MOV R6,#250
D52: NOP
NOP
NOP
NOP
DJNZ R6,D52
DJNZ R7,D51
POP PSW
RET

 



DELAY: ;延時(shí)1毫秒
PUSH PSW
SETB RS0
MOV R7,#50
D1: MOV R6,#10
D2: DJNZ R6,$
DJNZ R7,D1
POP PSW
RET

 


  ORG   0
        LJMP    MAIN
            ORG    000BH
        LJMP    CTC0
   MAIN:  MOV   SP, #50H
          CLR   EA
          MOV   TMOD, #01H
          MOV    TH0,#3CH
          MOV    TL0,#0B0H
          MOV    R4,  #10
           SETB   ET0
           SETB   EA
           SETB   TR0
            SJMP  $  ;
   CTC0:   MOV  TH0, #3CH
           MOV  TL0, #0B0H
           DJNZ  R4, LP
           CPL   P1.0
           MOV   R4,  #10
     LP:    RETI
          END

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