使用Keil C进行51单片机延时程序编写的几点心得
2014-08-25
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。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）。