關于C51精確延時問題

一些朋友提出使用C語言編寫51單片機延時程序的精度不夠，事實上的確如此，由于C語言最終要編譯成匯編語言運行，因此，匯編程序會很大，從而影響到延時的精度，在此，貼出一些網上資料供大家參考借鑒。

以下位轉載內容：

51單片機 Keil C 延時程序的簡單研究

by: InfiniteSpace Studio/isjfk, 1.21.2004

任何人都可以在注明原作者和出處的前提下隨意轉載這篇文章，但不得用于商業(yè)目的。

應用單片機的時候，經常會遇到需要短時間延時的情況。需要的延時時間很短，一般都是幾十到幾百微妙(us)。有時候還需要很高的精度，比如用單片機驅動DS18B20的時候，誤差容許的范圍在十幾us以內，不然很容易出錯。這種情況下，用計時器往往有點小題大做。而在極端的情況下，計時器甚至已經全部派上了別的用途。這時就需要我們另想別的辦法了。
以前用匯編語言寫單片機程序的時候，這個問題還是相對容易解決的。比如用的是12MHz晶振的51，打算延時20us，只要用下面的代碼，就可以滿足一般的需要：
mov r0, #09h
loop: djnz r0, loop
51單片機的指令周期是晶振頻率的1/12，也就是1us一個周期。mov r0, #09h需要2個極其周期，djnz也需要2個極其周期。那么存在r0里的數就是(20-2)/2。用這種方法，可以非常方便的實現256us以下時間的延時。如果需要更長時間，可以使用兩層嵌套。而且精度可以達到2us，一般來說，這已經足夠了。
現在，應用更廣泛的毫無疑問是Keil的C編譯器。相對匯編來說，C固然有很多優(yōu)點，比如程序易維護，便于理解，適合大的項目。但缺點（我覺得這是C的唯一一個缺點了）就是實時性沒有保證，無法預測代碼執(zhí)行的指令周期。因而在實時性要求高的場合，還需要匯編和C的聯(lián)合應用。但是是不是這樣一個延時程序，也需要用匯編來實現呢？為了找到這個答案，我做了一個實驗。
用C語言實現延時程序，首先想到的就是C常用的循環(huán)語句。下面這段代碼是我經常在網上看到的：
void delay2(unsigned char i)
{
for(; i != 0; i--);
}
到底這段代碼能達到多高的精度呢？為了直接衡量這段代碼的效果，我把 Keil C 根據這段代碼產生的匯編代碼找了出來：
; 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~~~一看才知道這個延時程序是多么的不準點~~~光看主要的那四條語句，就需要6個機器周期。也就是說，它的精度頂多也就是6us而已，這還沒算上一條 lcall 和一條 ret。如果我們把調用函數時賦的i值根延時長度列一個表的話，就是：
i delay time/us
0 6
1 12
2 18
...
因為函數的調用需要2個時鐘周期的lcall，所以delay time比從函數代碼的執(zhí)行時間多2。順便提一下，有的朋友寫的是這樣的代碼：
void delay2(unsigned char i)
{
unsigned char a;
for(a = i; a != 0; a--);
}
可能有人認為這會生成更長的匯編代碼來，但是事實證明：
; 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)
其生成的代碼是一樣的。不過這的確不是什么好的習慣。因為這里實在沒有必要再引入多余的變量。我們繼續(xù)討論正題。有的朋友為了得當更長的延時，甚至用了這樣的代碼：
void delay2(unsigned long i)
{
for(; i != 0; i--);
}
這段代碼產生的匯編代碼是什么樣子的？其實不用想也知道它是如何恐怖的$#^%&%$......讓我們看一看：
; 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)
，這倒是的確可以延遲很長時間~~~但是毫無精度可言了。
那么，用C到底能不能實現精確的延時呢？我把代碼稍微改了一下：
void delay1(unsigned char i)
{
while(i--);
}
因為根據經驗，越簡潔的C代碼往往也能得出越簡潔的機器代碼。那這樣結果如何呢？把它生成的匯編代碼拿出來看一看就知道了。滿懷希望的我按下了“Build target”鍵，結果打擊是巨大的：
; 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)
雖說生成的代碼跟用for語句是不大一樣，不過我可以毫無疑問的說，這兩種方法的效率是一樣的。似乎到此為止了，因為我實在想不出來源程序還有什么簡化的余地。看來我就要得出來這個結論了：“如果需要us級的延時精度，需要時用匯編語言。”但是真的是這樣嗎？我還是不甘心。因為我不相信大名鼎鼎的 Keil C 編譯器居然連 djnz 都不會用？？？因為實際上程序體里只需要一句 loop: djnz r7, loop。近乎絕望之際（往往人在這種情況下確可以爆發(fā)出來，哦呵~~~），我隨手改了一下：
void delay1(unsigned char i)
{
while(--i);
}
心不在焉的編譯，看源碼：
; 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~~~奇跡出現了......我想這個程序應該已經可以滿足一般情況下的需要了。如果列個表格的話：
i delay time/us
1 5
2 7
3 9
...
計算延時時間時，已經算上了調用函數的lcall語句所花的2個時鐘周期的時間。
終于，結果已經明了了。只要合理的運用，C還是可以達到意想不到的效果。很多朋友抱怨C效率比匯編差了很多，其實如果對Keil C的編譯原理有一個較深入的理解，是可以通過恰當的語法運用，讓生成的C代碼達到最優(yōu)化。即使這看起來不大可能，但還是有一些簡單的原則可循的：1.盡量使用unsigned型的數據結構。2.盡量使用char型，實在不夠用再用int，然后才是long。3.如果有可能，不要用浮點型。4.使用簡潔的代碼，因為按照經驗，簡潔的C代碼往往可以生成簡潔的目標代碼（雖說不是在所有的情況下都成立）。5...想不起來了，哦呵~~~