关于C51精确延时问题

发布者:omega34最新更新时间:2016-05-23 来源: eefocus关键字:C51  精确延时 手机看文章 扫描二维码
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一些朋友提出使用C语言编写51单片机延时程序的精度不够,事实上的确如此,由于C语言最终要编译成汇编语言运行,因此,汇编程序会很大,从而影响到延时的精度,在此,贴出一些网上资料供大家参考借鉴。

以下位转载内容:

51单片机 Keil C 延时程序的简单研究

by: InfiniteSpace Studio/isjfk, 1.21.2004

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)
,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~~~),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。4.使用简洁的代码,因为按照经验,简洁的C代码往往可以生成简洁的目标代码(虽说不是在所有的情况下都成立)。5...想不起来了,哦呵~~~
 
关于C51精确延时问题转载内容
51单片机 Keil C 延时程序的再次研究!

作者: SEE     来源:www.waveshare.net
上文是延时程序的简单研究,从精度考虑,它得研究结果是:
void delay2(unsigned char I) 
{
while(--I); 

为最佳方法。

分析:假设外挂12M(之后都是在这基础上讨论)
我编译了下,传了些参数,并看了汇编代码,观察记录了下面的数据:
delay2(0):延时518us 518-2*256=6
delay2(1):延时7us(原帖写“5us”是错的,^_^)
delay2(10):延时25us 25-20=5
delay2(20):延时45us 45-40=5
delay2(100):延时205us 205-200=5
delay2(200):延时405us 405-400=5

见上可得可调度为2us,而最大误差为6us。
精度是很高了!

但这个程序的最大延时是为518us,显然不能满足实际需要,因为很多时候需要延迟比较长的时间。

那么,接下来讨论将t分配为两个字节,即uint型的时候,会出现什么情况。

Void delay8(uint t)
{
while(--t);
}
我编译了下,传了些参数,并看了汇编代码,观察记录了下面的数据:
delay8(0):延时524551us 524551-8*65536=263
delay8(1):延时15us
delay8(10):延时85us 85-80=5 
delay8(100):延时806us 806-800=6
delay8(1000):延时8009us 8009-8000=9
delay8(10000):延时80045us 80045-8000=45
delay8(65535):延时524542us 524542-524280=262

如果把这个程序的可调度看为8us,那么最大误差为263us,但这个延时程序还是不能满足要求的,因为延时最大为524.551ms。

那么用ulong t呢?
一定很恐怖,不用看编译后的汇编代码了。。。

那么如何得到比较小的可调度,可调范围大,并占用比较少得RAM呢?请看下面的程序:

/*------------------------------------------------------------------
函数全称:50us 延时
注意事项:基于1MIPS,AT89系列对应12M晶振,W77、W78系列对应3M晶振
例子提示:调用delay_50us(20),得到1ms延时
输 入: 
返 回:无
------------------------------------------------------------------*/
void delay_50us(uint t)
{
uchar j; 
for(;t>0;t--) 
for(j=19;j>0;j--) 

}

我编译了下,传了些参数,并看了汇编代码,观察记录了下面的数据:
delay_50us(1):延时63us 63-50=13
delay_50us(10):延时513us 503-500=13 
delay_50us(100):延时5013us 5013-5000=13
delay_50us(1000):延时50022us 50022-50000=22

赫赫,延时50ms,误差仅仅22us,作为C语言已经是可以接受了。再说要求再精确的话,就算是用汇编也得改用定时器了。

/*------------------------------------------------------------------
函数全称:50ms 延时
注意事项:基于1MIPS,AT89系列对应12M晶振,W77、W78系列对应3M晶振
例子提示:调用delay_50ms(20),得到1s延时
全局变量:无
返回: 无
------------------------------------------------------------------*/
void delay_50ms(uint t)
{
uint j; 
for(;t>0;t--) 
for(j=6245;j>0;j--) 
; 
}
我编译了下,传了些参数,并看了汇编代码,观察记录了下面的数据:
delay_50ms(1):延时50 010 10us
delay_50ms(10):延时499 983 17us
delay_50ms(100):延时4 999 713 287us
delay_50ms(1000):延时4 997 022 2.978ms

赫赫,延时50s,误差仅仅2.978ms,可以接受!

上面程序没有采用long,也没采用3层以上的循环,而是将延时分拆为两个程序以提高精度。应该是比较好的做法了。 

如果想要得到更高精度的延时,可以这么做:
void delay_50us(uint t)
{
uchar j; 
if(t>255)
{
针对性给于延时补偿;

if(t<255)
{
针对性给于延时补偿;
}
for(;t>0;t--) 
for(j=18;j>0;j--) //根据实际,将原来19改为18或者更小
;

void delay_50ms(uint t)
{
uint j; 
if(t>…)
{
针对性给于延时补偿;
}
if(t>…)
{
针对性给于延时补偿;
}
if(t>…)
{
针对性给于延时补偿;
}
……
……
for(;t>0;t--) 
for(j=6244;j>0;j--) //根据实际,将原来6245改为6244或者更小

}

关键字:C51  精确延时 引用地址:关于C51精确延时问题

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