单片机 软件延时时间控制

一、简述

   记--通过代码方式实现软件延时（不精确延时）。

二、指令周期

         单片机需要一个时钟信号送给内部各个电路，才能使它们有节拍地协同工作。时钟信号的频率是由外部震荡电路的晶振频率决定的。

       外接晶振的频率 = 时钟信号的频率 = 工作频率。（如24MHz，12MHz，11.0592MHz）

       震荡周期：为单片机提供时钟脉冲的振荡源的周期。

                          震荡周期 = 1/晶振频率          （如晶振频率是12MHz时，振荡周期 = 1/12MHz = (1/12)us）

       机器周期：51系列单片机的一个机器周期由12个震荡周期组成。

                         机器周期 = 12 * 振荡周期      

                 （如晶振频率是24MHz时，振荡周期 = 1/24MHz = (1/24)us，机器周期 = 12*（1/24）us = 0.5us）

                 （如晶振频率是12MHz时，振荡周期 = 1/12MHz = (1/12)us，机器周期 = 12*（1/12）us = 1us）

                 （如晶振频率是11.0592MHz时，振荡周期 = 1/12MHz = (1/11.0592)us，机器周期 = 12*（1/11.0592）us = 1.085us）

       指令周期：单片机执行一条指令所用的时间。

                        一般来说，单片机执行1个简单的指令需要一个机器周期，执行复杂的指令需要两个机器周期。

三、软件延时

        通过一个循环来实现延时

       测试代码：

#include <reg51.h>

void delay(void)//延时函数
{
	unsigned char i;
	for(i=0; i<100; i++)
		;
}

void main(void)
{
	while(1)
	{
		//dosomething()
		delay();
	}
}

在Keil C51 环境下编译后，点击"调试"--"开始"；在执行"视图"--"反汇编"，可以看到延时函数对应的汇编代码。

其中：

             CLR指令消耗1个机器周期

             MOV指令消耗1个机器周期

             INC指令消耗1个机器周期                                      

             CJNE指令消耗2个机器周期

根据循环条件，INC指令和CJNE指令总共要执行100次（0x64=100）,共消耗机器周期（1+2）*100=300，

加上CLR指令和MOV指令，循环程序总共消耗机器周期：1+1+300=302

如果单片机的晶振频率为11.0592MHz，则机器周期 = 12*（1/11.0592）us = 1.085us。

那么for循环程序耗时为302*1.085us=327.67us。

deley()函数用时：0.06607530s-0.000422209s=0.065653091s=65.653091ms=65653.091us   

(指令的执行时间不代表函数的执行时间。函数跳转需要时间，开辟函数栈、临时变量、回收栈资源等需要时间，因此c语言有内联(inline)函数，宏函数(带参宏)用来提高执行效率)。

两层循环

#include <reg51.h>

void delay(void)//延时函数
{
	unsigned char i, j;
	for(i=0; i<100; i++)
		for(j=0; j<200; j++)
			;
}

void main(void)
{
	while(1)
	{
		//dosomething()
		delay();
	}
}

注：对于C语言编译器，某些编译器会进行代码优化，比如循环里面什么都没做，编译器有可能将循环去掉。

       软件延时不精准：因为相当于是通过控制CPU做某一些预定消耗一定时间的动作，根据CPU执行完成判断已经过去多长时间。但是CPU有可能在中途被其他进程强行占用（优先级高的进程），CPU被迫中断当前执行，优先执行优先级较高的任务，当执行完优先级较高的任务，才回来继续执行之前中断的任务，那么延时就会加长。比如想要延时1分钟，我们预定执行A动作之后，刚好耗时1分钟，那么让CPU执行这个动作就达到延时1分钟。如果当CPU执行到一半时，突然有一个紧急任务S(优先级高)发生，要求CPU立即处理，那么CPU就会中断当前任务A，优先处理紧急任务S，等待执行完毕，才回来继续执行之前被中断的任务A。那么当A任务执行完毕，我们预期是从执行开始到结束消耗时间1分钟，但是实际上已经过去不止1分钟，因为中途被中断了。所以软件延时时间越长，容易被中断，而且CPU不能长时间被一个进程独占，延时越不精准。

       要实现精确的延时可使用硬件延时：使用定时器/计数器。定时器/计数器是根据时钟信号脉冲计数的，是直接跟硬件晶振相关的。

//函数名：delay_1ms(uint x)
//功能：利用定时器0精确定时1ms
//调用函数：
//输入参数：x,1ms计数
//输出参数：
//说明：延时的时间为1ms乘以x

void delay_1ms(uint x)
{
	TMOD=0X01;//开定时器0，工作方式为1
	TR0=1;//启动定时器0；
	while(x--)
	{
		TH0=0Xfc;//定时1ms初值的高8位装入TH0
		TL0=0X18;//定时1ms初值的低8位装入TL0
		while(!TF0);//等待，直到TF0为1
		TF0=0;	   //重置溢出位标志
	}		
	TR0=0;//停止定时器0；
}

延时1s：delay_1ms(1000); //1000ms = 1s

以前CPU主要由运算器和控制器两大部分组成,随着集成电路的发展，目前CPU芯片集成了一些其他逻辑功能部件来扩充CPU的功能，如浮点运算器、Cache和MMX等。

根据存储程序控制这一基本概念，程序和数据是事先存放在存储器中的，计算机对信息的加工处理是通过执行程序来实现的。计算机的工作过程就是程序的运行过程，也就是在控制器的控制下逐条执行程序中指令的过程。在程序运行中，控制器对整个计算机进行控制，使各部件在规定的时刻执行相应的操作。

控制器最基本的功能有两个

（1）控制指令执行的顺序。

为了控制指令的执行顺序，CPU中设置了指令地址寄存器PC（即程序计数器），用它来存放指令的地址。在执行一条指令的同时，必须形成后续指令的地址，以便程序能继续运行。

在一般情况下，指令是按顺序执行的，由程序计数器PC决定后继指令的地址，也就是说，PC的内容不断地加一个固定步长。但是，当执行的指令是转移类型指令时，就要改变指令执行的原来顺序。

控制器对指令执行顺序的控制实质上是对PC的控制，也就是说，根据转移类型指令的操作码和转移的条件来决定是否改变PC的内容。从程序运行的角度来看，PC内容的改变可以分为以下两大类。

①程序中规定的转移类型指令。如无条件转移、转子指令等，这需要在程序设计时预先安排好要改变指令执行的顺序。在多数情况下，转移前的PC内容不需要保留，在转子指令或过程调用指令时需要保留转移前的PC内容，作为程序的返回地址。

②中断处理。即在程序运行中对于某些突发事件的紧急处理。当出现来自系统外部或计算机内部的任何异常或意外事件（如计算机出现故障、程序出现错误、外设请求、实时请求等）时，CPU可以暂停执行现行程序，转去处理这些事件，在这里需要改变PC的内容，而且要保留改变前的PC的内容，待处理完后再返回继续执行原被中断的程序。

（2）控制指令的具体执行。

一条指令的执行主要分为以下两个阶段：
①从存储器取出指令。根据程序计数器PC的内容，向地址寄存器发出地址和读指令操作信号。取出现行指令后，为了正确执行该条指令，将取出的指令存放在控制器中专门设置的指令寄存器IR中。

②分析和执行指令。分析指令就是把指令寄存器中的现行指令进行译码。首先分析其操作码，为此需要设置操作码译码器，通过对操作码的分析，产生相应的控制电位，提供给控制信号形成部件；其次就是确定参与操作的数据地址，即分析寻址方式和形成操作数的地址，并向存储器发出调用操作数的控制信号，从而取得操作数；然后，根据指令的操作性质和CPU的某些状态特征，执行指令所给定的操作。

上述的两个功能都是由控制器产生的各种微操作（或微命令）来实现的。

微操作信号是构成控制信号序列的最小单位，对于不同的指令要求不仅需要确定应该发出哪些微操作信号，而且还必须顾及到这些微操作信号之间的时间关系。

产生微操作的基本逻辑是依据指令操作码、主机的运行状态、控制台命令等因素，它的时间条件则由时序系统提供，时序系统是根据指令执行方式设计的。

因此，控制器中应该设置控制信号形成部件，用来产生执行指令时所需要的各种微操作信号；还应该设置一个时序部件，用来产生定时信号，对各种微操作进行严格的时间控制。

控制信号形成部件的输入由两方面决定：一是指令译码器的内容和状态条件（在状态条件寄存器PSWR中）；二是来自时序部件。控制信号形成部件的输出应该连接到计算机各个部件的控制信号线上，以便控制计算机的各部件完成相应的微操作。

根据上述控制器的功能分析，必须有相应的部件予以实现，图2.2所示是控制器的基本结构图。

总结

• 读取指令,执行指令