原创 51单片机C语言延时程序的简单研究

      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(ds18b20型单线智能温度传感器又称数字温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。它具有体积小,接口方便,传输距离远等特点。)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。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，哦呵呵呵~~~