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51单片机 Keil C 延时程序的简单研究

作者:qiqiqi 栏目:单片机


任何人都可以在注明原作者和出处的前提下随意转载这篇文章,但不得用于商业目的。



  应用单片机的时候,经常会遇到需要短时间延时的情况。需要的延时时间很短,一般都是几十到几百微妙(us)。有时候还需要很高的精度,比如用单片机驱动DS18B20的时候,误差容许的范围在十几us以内,不然很容易出错。这种情况下,用计时器往往有点小题大做。而在极端的情况下,计时器甚至已经全部派上了别的用途。这时就需要我们另想别的办法了。
  以前用汇编语言写单片机程序的时候,这个问题还是相对容易解决的。比如用的是12MHZ晶振的51,打算延时20us,只要用下面的代码,就可以满足一般的需要:
    mov   r0, #09h
loop:  djnz  r0, loop
51单片机的指令周期是晶振频率的1/12,也就是1us一个周期。mov r0, #09h需要2个极其周期,djnz也需要2个极其周期。那么存在r0里的数就是(20-2)/2。用这种方法,可以非常方便的实现256us以下时间的延时。如果需要更长时间,可以使用两层嵌套。而且精度可以达到2us,一般来说,这已经足够了。
  现在,应用更广泛的毫无疑问是Keil的C编译器。相对汇编来说,C固然有很多优点,比如程序易维护,便于理解,适合大的项目。但缺点(我觉得这是C的唯一一个缺点了)就是实时性没有保证,无法预测代码执行的指令周期。因而在实时性要求高的场合,还需要汇编和C的联合应用。但是是不是这样一个延时程序,也需要用汇编来实现呢?为了找到这个答案,我做了一个实验。
  用C语言实现延时程序,首先想到的就是C常用的循环语句。下面这段代码是我经常在网上看到的:
void delay2(unsigned CHAR i)
{
  for(; i != 0; i--);
}
到底这段代码能达到多高的精度呢?为了直接衡量这段代码的效果,我把 Keil C 根据这段代码产生的汇编代码找了出来:
       ; 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~~~一看才知道这个延时程序是多么的不准点~~~光看主要的那四条语句,就需要6个机器周期。也就是说,它的精度顶多也就是6us而已,这还没算上一条 lcall 和一条 ret。如果我们把调用函数时赋的i值根延时长度列一个表的话,就是:
i  delay time/us
0  6
1  12
2  18
...
因为函数的调用需要2个时钟周期的lcall,所以delay time比从函数代码的执行时间多2。顺便提一下,有的朋友写的是这样的代码:
void delay2(unsigned CHAR i)
{
  unsigned CHAR a;
  for(a = i; a != 0; a--);
}
可能有人认为这会生成更长的汇编代码来,但是事实证明:
       ; 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)
其生成的代码是一样的。不过这的确不是什么好的习惯。因为这里实在没有必要再引入多余的变量。我们继续讨论正题。有的朋友为了得当更长的延时,甚至用了这样的代码:
void delay2(unsigned LONG i)
{
  for(; i != 0; i--);
}
这段代码产生的汇编代码是什么样子的?其实不用想也知道它是如何恐怖的$#^%&%$......让我们看一看:
       ; 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,这倒是的确可以延迟很长时间~~~但是毫无精度可言了。
  那么,用C到底能不能实现精确的延时呢?我把代码稍微改了一下:
void delay1(unsigned CHAR i)
{
  while(i--);
}
因为根据经验,越简洁的C代码往往也能得出越简洁的机器代码。那这样结果如何呢?把它生成的汇编代码拿出来看一看就知道了。满怀希望的我按下了“Build target”键,结果打击是巨大的:
       ; 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)
虽说生成的代码跟用for语句是不大一样,不过我可以毫无疑问的说,这两种方法的效率是一样的。似乎到此为止了,因为我实在想不出来源程序还有什么简化的余地。看来我就要得出来这个结论了:“如果需要us级的延时精度,需要时用汇编语言。”但是真的是这样吗?我还是不甘心。因为我不相信大名鼎鼎的 Keil C 编译器居然连 djnz 都不会用???因为实际上程序体里只需要一句 loop: djnz r7, loop。近乎绝望之际(往往人在这种情况下确可以爆发出来,哦呵呵呵~~~),我随手改了一下:
void delay1(unsigned CHAR i)
{
  while(--i);
}
心不在焉的编译,看源码:
       ; 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~~~奇迹出现了......我想这个程序应该已经可以满足一般情况下的需要了。如果列个表格的话:
i  delay time/us
1  5
2  7
3  9
...
计算延时时间时,已经算上了调用函数的lcall语句所花的2个时钟周期的时间。
  终于,结果已经明了了。只要合理的运用,C还是可以达到意想不到的效果。很多朋友抱怨C效率比汇编差了很多,其实如果对Keil C的编译原理有一个较深入的理解,是可以通过恰当的语法运用,让生成的C代码达到最优化。即使这看起来不大可能,但还是有一些简单的原则可循的:1.尽量使用unsigned型的数据结构。2.尽量使用CHAR型,实在不够用再用int,然后才是LONG。3.如果有可能,不要用浮点型。

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