單片機(jī)定時(shí)器中斷時(shí)間誤差原因分析

在單片機(jī)定時(shí)器的應(yīng)用過程中，在中斷時(shí)間設(shè)置方面出現(xiàn)誤差是工程師們最不愿見到的錯(cuò)誤之一。那么，都是哪些原因?qū)е铝?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/單片機(jī)">單片機(jī)定時(shí)器的中斷時(shí)間設(shè)置出現(xiàn)了誤差呢?這些誤差的的嚴(yán)重程度又是怎樣的呢?在今天的文章中，我們將會(huì)針對(duì)這一問題展開總結(jié)和分析。

在單片機(jī)定時(shí)器的實(shí)際應(yīng)用過程中，產(chǎn)生單片機(jī)定時(shí)器溢出中斷與CPU響應(yīng)中斷的時(shí)間誤差，通常來說有兩個(gè)原因。一個(gè)是定時(shí)器溢出中斷信號(hào)時(shí)，CPU正在執(zhí)行某指令。而另一個(gè)原因就是定時(shí)器溢出中斷信號(hào)時(shí)，CPU正在執(zhí)行某中斷服務(wù)程序。下面我們將會(huì)就這兩種造成誤差的原因展開分別分析。

CPU正在執(zhí)行某指令時(shí)的誤差

在單片機(jī)定時(shí)器的使用過程中，由于CPU正在執(zhí)行某指令時(shí)所造成的誤差，是導(dǎo)致中斷時(shí)間設(shè)置出現(xiàn)誤差的重要原因。由于CPU正在執(zhí)行某指令，因此它不能及時(shí)響應(yīng)單片機(jī)定時(shí)器的溢出中斷。當(dāng)CPU執(zhí)行此指令后再響應(yīng)中斷所延遲的最長時(shí)間為該指令的指令周期，即誤差的最大值為執(zhí)行該指令所需的時(shí)間。由于各指令都有對(duì)應(yīng)的指令周期，因此這種誤差將因CPU正在執(zhí)行指令的不同而不同。如定時(shí)器溢出中斷時(shí)，CPU正在執(zhí)行指令MOVA,Rn，其最大誤差為1個(gè)機(jī)器周期。而執(zhí)行指令MOVRn、direct時(shí)，其最大誤差為2個(gè)機(jī)器周期。當(dāng)CPU正在執(zhí)行乘法或除法指令時(shí)，最大時(shí)間誤差可達(dá)4個(gè)機(jī)器周期。在8051單片機(jī)指令系統(tǒng)中，多數(shù)指令的指令周期為1-2個(gè)機(jī)器周期，因此最大時(shí)間誤差一般為1-2個(gè)機(jī)器周期。若振蕩器振蕩頻率為fosc。而當(dāng)CPU正在執(zhí)行指令的機(jī)器周期數(shù)為Ci，則最大時(shí)間誤差為Δtmax1=12/fosc×Ci(us)。例如fosc=12MHZ，CPU正在執(zhí)行乘法指令(Ci=4)，此時(shí)的最大時(shí)間誤差可通過公式計(jì)算為：

Δtmax1=12/fosc×Ci=12/(12×106)×4=4×10-6(s)=4(μs)

CPU正在執(zhí)行某中斷服務(wù)的程序時(shí)的誤差

由于CPU正在執(zhí)行某個(gè)中斷服務(wù)的程序而造成的單片機(jī)中斷程序誤差，也是一個(gè)重要的誤差形成原因。當(dāng)單片機(jī)定時(shí)器溢出中斷信號(hào)時(shí)，此時(shí)如果CPU正在執(zhí)行同級(jí)或高優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)程序，那么它將會(huì)繼續(xù)執(zhí)行這些程序，不能及時(shí)響應(yīng)定時(shí)器的溢出中斷請(qǐng)求，其延遲時(shí)間由中斷轉(zhuǎn)移指令周期T1、中斷服務(wù)程序執(zhí)行時(shí)間T2、中斷返回指令的指令周期T3及中斷返回原斷點(diǎn)后執(zhí)行下一條指令周期T4(如乘法指令)組成。中斷轉(zhuǎn)移指令和中斷返回指令的指令周期都分別為2個(gè)機(jī)器周期。中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時(shí)間為該程序所含指令的指令周期的總和。因此，最大時(shí)間誤差Δtmax2為：Δtmax2=(T1+T2+T3+T4)12/fosc=(2+T2+2+4)12/fosc=12(T2+8)/fosc。若設(shè)fosc=12MHZ，則最大時(shí)間誤差可通過該公式計(jì)算為：

Δtmax2=12(T2+8)/fosc=12(T2+8)/12×106=(T2+8)×10-6(s)=T2+8(μs)。

此時(shí)需要工程師重點(diǎn)注意的一個(gè)問題是，由于上式中T2一般大于8，因此，這種單片機(jī)定時(shí)器的時(shí)間誤差一般取決于正在執(zhí)行的中斷服務(wù)程序。當(dāng)CPU正在執(zhí)行中斷返回指令RETI、或正在讀寫IE或IP指令時(shí)，這種誤差在5個(gè)機(jī)器周期內(nèi)。