51单片机Keil C延时程序的简单研究

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

[NextPage]

                                          ; 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

[NextPage]

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

[NextPage]

;---- 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）。5...想不起来了，哦呵呵呵~~~