軟件延時(shí)程序的分析與精確延時(shí)程序設(shè)計(jì)

刁一峰，楊培剛，劉麗萍，劉興旺

(湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院車(chē)輛工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410126)

1 概述

單片機(jī)軟件延時(shí)程序是一種循環(huán)程序，即中央處理器通過(guò)執(zhí)行占用固定時(shí)間的循環(huán)體來(lái)完成延時(shí)。在進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)際結(jié)果和預(yù)期目標(biāo)不符。以跳馬燈設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說(shuō)明，具體Proteus仿真系統(tǒng)如圖1所示。

要求P1口連接8個(gè)LED燈，從D1開(kāi)始，依次點(diǎn)亮。但是把表1所示的跳馬燈程序下載到AT89S51單片機(jī)上后，發(fā)現(xiàn)8個(gè)LED燈一直亮，和預(yù)期要求不符。

圖1 跳馬燈仿真系統(tǒng)

通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有延時(shí)程序?qū)γ恳粋€(gè)燈亮的狀態(tài)進(jìn)行延時(shí)［1］。因此，延時(shí)程序?qū)τ谙到y(tǒng)程序來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。

2 分析軟件延時(shí)程序

軟件延時(shí)程序就是單片機(jī)程序的每條指令被CPU執(zhí)行時(shí)都要占用一定的機(jī)器周期，并且通過(guò)多次循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)的目的。因此，只要知道了執(zhí)行每條指令所占用的機(jī)器周期以及循環(huán)控制變量，就能算出延時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度。

2.1 三個(gè)概念

振蕩周期(TC):也叫時(shí)鐘周期，一個(gè)振蕩周期等于晶振頻率的倒數(shù)，即

TC=1/fosc

表1 跳馬燈程序與功能

機(jī)器周期(T):1個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)時(shí)鐘周期，即

T=12TC

指令周期:指CPU執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，指令周期以機(jī)器周期為單位，分為單周期指令、雙周期指令和四周期指令3種，如表2所示。

表2 指令周期與機(jī)器周期的關(guān)系

2.2 常用指令

單片機(jī)AT89S51匯編延時(shí)程序中經(jīng)常用到的指令有以下幾種:

1)數(shù)據(jù)傳送指令MOV Rn，#X

把立即數(shù)X傳送到通用寄存器Rn中去，雙周期指令。

2)循環(huán)轉(zhuǎn)移指令DJNZ Rn，L1

將通用寄存器Rn中的內(nèi)容減1后判斷是否為0，如果為0順序執(zhí)行，不為0轉(zhuǎn)移到L1處，雙周期指令。

3)返回指令RET

返回主程序，雙周期指令。

4)空操作指令NOP

不進(jìn)行任何操作，單周期指令。

2.3 幾種延時(shí)程序方式時(shí)間長(zhǎng)度計(jì)算

1)單層循環(huán)延時(shí)程序

DEL:MOV R0，#X;1周期

L1:DJNZ R0，L1;2周期

RET;2周期

程序延時(shí)時(shí)間t=T+2XT+2T=(2X+3)T。

因?yàn)?≤X≤255(其中X=1時(shí)，延時(shí)時(shí)間最短)，所以整個(gè)程序的延時(shí)時(shí)間范圍為5T≤t≤515T，具體延時(shí)時(shí)間與X的關(guān)系如表3所示。

2)雙層循環(huán)延時(shí)程序

DEL:MOV R1，#Y;1周期

L2:MOV R0，#X;1 周期

L1:DJNZ R0，L1;2周期

DJNZ R1，L2;2周期

RET;2周期

延時(shí)時(shí)間t=T+YT+2XYT+2YT+2T=［(2X+3)Y+3］T，整個(gè)程序的延時(shí)時(shí)間范圍為8T≤t≤131843T，具體延時(shí)時(shí)間與X的關(guān)系如表3所示。

3)三層循環(huán)延時(shí)程序

DEL:MOV R2，#Z;1 周期

L3:MOV R1，#Y;1 周期

L2:MOV R0，#X;1 周期

L1:DJNZ R0，L1;2周期

DJNZ R1，L2;2周期

DJNZ R2，L3;2周期

RET;2周期

延時(shí)時(shí)間t=T+ZT+YZT+2XYZT+2YZT+2ZT+2T={［(2X+3)Y+3］Z+3)}T，整個(gè)程序的的延時(shí)時(shí)間范圍為11T≤t≤33751811T，具體延時(shí)時(shí)間與X的關(guān)系如表3所示。

通過(guò)上面分析可以總結(jié)出N層循環(huán)程序的延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)度的計(jì)算公式為

其中，Xi是裝入通用寄存器Ri的立即數(shù)，T是機(jī)器周期。

3 精確延時(shí)程序設(shè)計(jì)

要設(shè)計(jì)精確的延時(shí)程序只有 MOV、DJNZ、RET這些功能指令是不行的，還要在循環(huán)程序段中增加啞指令(如NOP等)對(duì)延時(shí)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，豐富延時(shí)程序的選擇項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)延時(shí)程序的精確設(shè)計(jì)。

3.1 延時(shí)時(shí)間的調(diào)整

DEL:MOV R2，#Z;1周期 1

NOP;1周期1

L3:MOV R1，#Y;1周期 Z

NOP;1周期 Z

L2:MOV R0，#X;1周期 YZ

NOP;1周期 YZ

L1:DJNZ R0，L1;2周期 2XYZ

DJNZ R1，L2;2周期 2YZ

DJNZ R2，L3;2周期 2Z

RET;2周期2

在數(shù)據(jù)傳送MOV指令后增加空操作指令NOP，則延時(shí)時(shí)間變?yōu)?/p>

表3 不同層數(shù)延時(shí)時(shí)間簡(jiǎn)表

t=T+T+ZT+ZT+YZT+YZT+2XYZT+2YZT+2ZT+2T=(2XYZ+4YZ+4Z+4)T。

延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)度的計(jì)算公式變?yōu)?/p>

3.2 實(shí)例設(shè)計(jì)

以晶振頻率focs為12 MHz的單片機(jī)為例，設(shè)計(jì)1個(gè)100 ms延時(shí)時(shí)間的延時(shí)程序。已知機(jī)器周期T=1 μs，100 ms=100 000 μs，根據(jù)延時(shí)時(shí)間計(jì)算公式可選擇雙層或多層循環(huán)。假如選擇雙層延時(shí)，Y取值200，X 取值249，延時(shí)時(shí)間為 100.203 ms，和預(yù)設(shè)值相差較大。若進(jìn)行調(diào)整，Y取值200，X取值248，在指令MOV R1，#X后加NOP指令，延時(shí)時(shí)間變?yōu)?00.003 ms，也不夠精確。

若選擇六層延時(shí)，加調(diào)整可得延時(shí)程序如下:

DEL:MOV R5，#5

NOP

NOP

L6:MOV R4，#5

NOP

L5:MOV R3，#5

NOP

L4:MOV R2，#5

NOP

L3:MOV R1，#4

L2:MOV R0，#198

L1:DJNZ R0，L1

DJNZ R1，L2

DJNZ R2，L3

DJNZ R3，L4

DJNZ R4，L5

DJNZ R5，L6

RET;

延時(shí)時(shí)間為t=(((((2*198+3)*4+3)*5+4)*5+4)*5+4)*5+5=100 000 μs=100 ms。

4 軟件延時(shí)程序的缺陷

通過(guò)100 ms精確延時(shí)程序設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，延時(shí)程序占用了大量的通用寄存器資源，然而真正進(jìn)行精確延時(shí)程序設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)該考慮實(shí)際的晶振頻率、主程序運(yùn)行指令和調(diào)用指令A(yù)CALL、LCALL等諸多因素，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相當(dāng)困難。另外，軟件延時(shí)程序是通過(guò)犧牲CPU的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間延時(shí)，中斷服務(wù)程序的執(zhí)行不能出現(xiàn)在延時(shí)程序的執(zhí)行過(guò)程中，以免延時(shí)時(shí)間受到影響，引起主程序整體功能的錯(cuò)亂，使主程序的正常運(yùn)行受到影響。所以，單片機(jī)在進(jìn)行實(shí)時(shí)性、多任務(wù)的工作時(shí)，要安排好延時(shí)程序的時(shí)序，否則會(huì)影響任務(wù)調(diào)度，造成程序不能正常運(yùn)行。

實(shí)際上延時(shí)參數(shù)數(shù)值的設(shè)定只能根據(jù)具體的時(shí)間長(zhǎng)度和晶振頻率的參數(shù)計(jì)算，依據(jù)模塊化延時(shí)程序所總結(jié)出的方法和技巧是十分不便的。

5 結(jié)語(yǔ)

因?yàn)樵O(shè)計(jì)者都有不同的設(shè)計(jì)習(xí)慣，面對(duì)不同的實(shí)際影響因素，公式會(huì)有所差異，然而分析和解決問(wèn)題的方法和技巧是相似的。通過(guò)對(duì)單片機(jī)不同的延時(shí)程序模式的分析，總結(jié)出了延時(shí)時(shí)間的計(jì)算公式和辦法，設(shè)計(jì)了精確的延時(shí)程序，在教學(xué)和程序開(kāi)發(fā)上具有良好的應(yīng)用效果。

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