8051系列单片机软件精确延时研究（一）

前言

　　最近自学STC公司的8051系列单片机，编程中如流水灯等非精确延时多用软件延时实现，写了几个类似DelayX10us(unsigned char x)的函数方便调用，函数内部的语句多是用STC官方延时程序再自己套一个for或者do..while循环改造而成，像这样：

//非精确延时10*Xus

//@12.000MHz 12T模式

void DelayX10us(unsigned char x)        

{

    unsigned char i;

    for (; x > 0; x--)

    {

        _nop_();

        i = 2;

        while (--i);

    }

}

　　由于不懂汇编，所以对代码的实际延时时间一直没有深究，每次都是凭感觉摸索个大概。今天突然心血来潮在keil仿真中执行了一下以上代码，观察了一下延时时间，得到结果如下：

　　OMG，100us误差达到50%，延时1000us误差也有41%，这还真是“非(常的)精确”啊。

　　突然觉得有必要研究一下汇编代码，搞懂这个延时是怎么误差这么大的。学习嘛，就不该留盲点，也正好借此机会了解一下汇编语言，对理解单片机底层应该有一定帮助。如果编程人员对自己写的代码底层如何实现一清二楚，那溢出、内存泄漏什么的bug就绝不会存在了。当然，要达到这个理想情况是很难的，只能朝着这个方向多努力了。

　　写了一段代码做研究用，如下：

#include

#include

void DelayX10us(unsigned char x);

void main()

{

    DelayX10us(1);

    DelayX10us(10);

    DelayX10us(100);

    while (1);

}

//@12.000MHz 12T

void DelayX10us(unsigned char x)

{

    unsigned char i;

    for (; x > 0; x--)

    {

        _nop_();

        i = 2;

        while (--i);

    }

}

反汇编代码

　　顺便说一下，软件环境：Keil uvison 4。

　　上述代码编译完后，点击'Start Debug'开始调试，Disassembly窗口中就显示出了相应的反汇编代码，还显示了C语言与汇编代码的对应关系，比在Linux环境下调试方便多了。

main()函数:

DelayX10us()函数

　　查芯片手册中指令系统部分内容可知，上述代码中LCALL、SJMP、JC、DJNZ、RET这几个指令是2机器周期指令，其余是1机器周期指令。现在开始来计算延时时间:

　　x=1: 

　　说明：1、main()中传值和跳转两个操作周期为1+2。

　　　　   2、0x0016  SUBB A,0x00 为执行借位减法，可以简单理解为将A-0x00-Cy(进位借位标识，也就是上一句中的C)的结果装入A，并判断如果够减（结果>=0），Cy=0（未产生借位）；如果不够减（结果<0），Cy=1（产生借位）。所以当A>=1时，都够减，Cy=0，下一句JC不会跳转，直到A=0不够减时才跳转。（A就是X的值）

　　　　　3、for循环中，第一次从0x0014到0x0020执行完，周期数为1+1+1+2   +1+1+2*2   +1+2，此时R7寄存器中存储的x值为0；此时已跳转到0x0014继续执行，直到0x0018，跳转到0x0022，周期数为1+1+1+2。返回main()函数又花两个周期。所以main()中'DelayX10us(1);'共耗费24个，12M/12T模式下即为24us。

　　同理，x=10：

　　x=100时同理1+2  +(1+1+1+2+1+1+2*2+1+2)*100  +1+1+1+2  +2 = 1410

小结

　　　　综上可看出，单纯的在官方延时函数基础上套for循环而得到的延时相当不精确。分析误差原因可知，main()中的3个周期、子函数返回的2个周期、for循环末尾的(1+1+1+2)个周期，这10个机器周期是固定误差值，最关键的在于涂黄部分共14个周期，超出了预期的10us倍增的延时。把这部分稍微改一下，使括号内涂黄部分变为10个机器周期，这样子就能使所有的x倍延时的误差值都为固定误差10us了。更改后的代码如下：

//非精确延时10*X us，固定误差10us

//@12.000MHz 12T模式

void DelayX10us(unsigned char x)        

{

    unsigned char i;

    for (; x > 0; x--)

    {

        _nop_();

        _nop_();

    }

}

　　更改后的延时机器周期数=1+2  +(1+1+1+2  +1+1 +1+2)*X  +1+1+1+2  +2 = 10*X+10。X在1~255取值范围内，误差均为固定10us。

PS：本文所有延时都是在12MHz晶振、12T模式下计算，1个机器周期=1us。

　　 反汇编代码为Keil软件内代码优化等级level 8下编译后的反汇编。不同优化等级编译的代码反汇编后有稍许差别，再次不做论述。