单片机C程序延时精度研究

在单片机应用中，经常会遇到需要短时间延时的情况，一般都是几十到几百μs，并且需要很高的精度(比如用单片机驱动DS18B20时，误差容许的范围在十几μs以内，不然很容易出错)；而某些情况下延时时间较长，用计时器往往有点小题大做。另外在特殊情况下，计时器甚至已经全部用于其他方面的定时处理，此时就只能使用软件定时了[1]。
1 C语言程序延时
　　Keil C51的编程语言常用的有2种： 一种是汇编语言；另一种是C 语言。用汇编语言写单片机程序时，精确时间延时是相对容易解决的。比如，用的是晶振频率为12 MHz的AT89C51，打算延时20 μs，51单片机的指令周期是晶振频率的1/12，即一个机器周期为1 μs；"MOV R0,#X"需要2个机器周期，DJNZ也需要2个机器周期，单循环延时时间t=2X+3(X为装入寄存器R0的时间常数)[2]。这样，存入R0里的数初始化为8即可，其精度可以达到1 μs。用这种方法，可以非常方便地实现512 μs以下时间的延时。如果需要更长时间，可以使用两层或更多层的嵌套，当然其精度误差会随着嵌套层的增加而成倍增加。
　　虽然汇编语言的机器代码生成效率很高，但可读性却并不强，复杂一点的程序就更难读懂；而C语言在大多数情况下，其机器代码生成效率和汇编语言相当，但可读性和可移植性却远远超过汇编语言，且C 语言还可以嵌入汇编程序来解决高时效性的代码编写问题。就开发周期而言，中大型软件的编写使用C 语言的开发周期通常要比汇编语言短很多，因此研究C语言程序的精确延时性能具有重要的意义[3]。
　　C程序中可使用不同类型的变量来进行延时设计。经实验测试，使用unsigned char类型具有比unsigned int更优化的代码，在使用时应该使用unsigned char作为延时变量。
2 单层循环延时精度分析
　　下面是进行μs级延时的while程序代码。
　　延时函数：
　　void delay1(unsigned char i) {
　　　　while(i );}
　　主函数：
　　void main() {
　　　　while(1) {
　　　　　　delay1(i);
　　　　}
　　}
　　使用Keil C51的反汇编功能，延时函数的汇编代码如下：
　　C:0x00E6AE07MOVR6,0x07
　　C:0x00E81FDECR7
　　C:0x00E9EEMOVA,R6
　　C:0x00EA70FAJNZC:00E6
　　C:0x00EC22RET

图1 断点设置位置图
　　通过对i赋值为10，在主程序中图1所示的位置设置断点。经过测试，第1次执行到断点处的时间为457 μs，再次执行到该处的时间为531 μs，第3次执行到断点处的时间为605 μs，10次while循环的时间为74 μs，整个测试结果如图2所示。

图2 使用i--方式测试仿真结果图
　　通过对汇编代码分析，时间延迟t=7X+4(其中X为i的取值)。测试表明，for循环方式虽然生成的代码与用while语句不大一样，但是这两种方法的效率几乎相同。C语言中的自减方式有两种，前面都使用的是i--的方式，能不能使用--i方式来获得不同的效果呢？将前面的主函数保持不变，delay1函数修改为下面的方式：
　　void delay1(unsigned char i) {
　　　　while(--i);}
　　同样进行反汇编，得到如下结果：
　　C:0x00E3DFFEDJNZR7,
　　C:00E3C:0x00E522RET
　　比较发现，--i的汇编代码效率明显高于i--方式。由于只有1条语句DJNZ，执行只需要2个时钟周期， 1个时钟周期按1 μs计算，其延时精度为2 μs；另外，RET需要2个时钟周期，能够达到汇编语言代码的效率。按前面的测试条件进行测试，第1次执行到断点处的时间为437 μs，再次执行到该处的时间为465 μs，第3次执行到断点处的时间为493 μs，10次while循环的时间为28 μs，整个测试结果如图3所示。

图3 使用--i方式测试仿真结果图
　　调整i的取值，i取8时延时时间为24 μs，i取9时延时时间为26 μs。通过分析得出，10次循环为28 μs是由于外层循环造成的，其精度可以达到2 μs。在设计时应该考虑参数传递和RET语句执行所需要的时间周期。实验分析发现，for语句使用--i方式，同样能够达到与汇编代码相同的精度。i取不同值时延时仿真结果如图4所示。

图4 i取不同值时延时仿真结果图
3 多重嵌套下的C程序延时
　　在某些情况下，延时较长，仅使用单层循环方式是不能完成的。此时，只能使用多层循环方式，那么多重循环条件下，C程序的精度如何呢？下面是一个使用for语句实现1 s延时的函数。
　　延时函数
　　void delay1s(void) {
　　　　for(k=100;k>0;k--) //定时1 s
　　　　for(i=20;i>0;i--)
　　　　for(j=248;j>0;j--);
　　}
　　主函数调用延时函数代码段：
　　while(1) {
　　　　delay1s();
　　　　scond+=1;
　　}
　　为了直接衡量这段代码的效果，利用Keil C找出这段代码产生的汇编代码：
　　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
　　分析汇编代码，其他汇编代码使用的不是DJNZ跳转方式，而是DEC和JNZ语句来实现循环判断。1条JNZ指令要花费2个时钟周期，3条指令就需要6个机器周期，MOV指令和DEC指令各需要1小时钟周期，1个时钟周期按1 μs算，其精度最多达到8 μs，最后加上一条LCALL和一条RET语句，所以整个延时精度较差[4]。
　　利用Keil C的测试工具，在一处设置一个断点。第1次执行到中断处的时间为0.000 513 s,第2次执行到中断处的时间为1.000 922 s,时间延迟为1.000 409 s，测试结果如图5所示。对于上面的3种循环嵌套,循环次数为100×20×248=496 000,每次循环的时间约为2 μs。

图5 三重嵌套循环1 s实现时间测试结果
　　为获取与汇编语言延时的差距，同样进行1 s的延时，程序代码段如下：
　　　　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
　　通过Keil C51测试，其实际延迟时间为0.997 943 s。虽然C语言实现延时方式的汇编代码复杂度增加，但是与汇编语言实现的方式性能差距并不大。
4 总结
　　汇编语言在实时性方面具有较大的优越性，虽然使用Keil C51可以在C语言程序中嵌入汇编代码，但是复杂度明显提高。实验证明，只要合理地运用C语言，在延时编程方面就可以达到与汇编语言相近的精度。为了获得精确的时间延迟，可通过Keil C工具的仿真功能，调整延迟量，从而得到较理想的结果。
参考文献
[1] InfiniteSpace Studio/isjfk. 51单片机KeilC延时程序的简单研究[EB/OL]. http://www.icwin.net/ShowArtitle.ASP?art_id=5564&cat_id=33.
[2] 沈舷. 延时程序延时时间的精确计算.电工技术与自动化[J]. 2005,34(6):152-153,157.
[3] 蹇兴亮.单片机定时中断的精确定时编程方法种种[J].单片机与嵌入式系统应用,2004(8).
[4] 聂毅.单片机定时器中断时间误差的分析及补偿[J].微计算机信息，2002,18(4):37-38.