在进行嵌入式系统开发时,精确的延时是一个经常遇到的需求。51单片机作为经典的微控制器之一,其精确延时的实现方法主要有两种:硬件延时和软件延时。硬件延时依赖于单片机内部的定时器/计数器,而软件延时则通过执行循环语句来实现。
硬件延时指的是使用定时器/计数器进行延时的方法。定时器/计数器是51单片机内置的硬件模块,通过编程可以设置其工作模式和计数值,从而实现所需的时间间隔。由于定时器/计数器的运行与CPU的主频同步,因此其计时精度通常较高,尤其是在使用外部晶振时。在51单片机中,常见的晶振频率有11.0592MHz、12MHz和6MHz,其中11.0592MHz的晶振便于产生各种标准波特率,而12MHz和6MHz的晶振的机器周期分别为1μs和2μs,适用于精确的延时操作。例如,使用12MHz的晶振时,定时器的最长延时时间可达65536μs。为了提高延时的精确性,在计算定时初值时,还需要考虑到中断服务程序编译后增加的机器周期消耗,如C51编译器自动添加的PUSHACC、PUSH PSW、POPPSW和POPACC语句会占用4个机器周期。如果在定时器中断服务程序中还有计数值加1的操作,则又会增加1个机器周期。这些额外的消耗需要在定时初值的计算中考虑进去,以便得到最小的误差。
硬件延时虽然精确,但有时候定时器/计数器被用作其他功能(如串口通信中的波特率发生器),这时就不能使用硬件延时,转而使用软件延时。软件延时是通过编程实现循环结构来消耗CPU时间,从而达到延时的效果。这种方法相对于硬件延时而言,精度通常较低,但是编程简单且不会占用定时器资源。基本的延时函数可以通过编写多个NOP(No Operation)指令来实现,NOP指令本身会消耗一个机器周期的时间。例如,一个延时10μs的函数可以使用6个NOP指令,加上LCALL和RET指令的开销,总延时将接近10μs。为了实现更长的延时,可以通过嵌套调用基本延时函数来实现。不过,需要注意的是,由于函数调用本身的开销,直接多次调用基本延时函数并不能简单地将延时时间累加。
此外,还可以利用C51语言中#pragmaasm预处理指令将汇编语言嵌入到C代码中。通过这种方式,可以使用汇编语言来编写延时函数,同时还可以设置参数传递和返回值,使得延时函数更加灵活。在使用#pragmaasm时需要注意它不能嵌套使用,并且在程序的开头要加上#pragmaasm指令,且在该指令之前只能有注释或其他预处理指令。当使用asm语句时,只能用小写字母,因为大写的asm会被当作普通变量处理。asm指令和相关的预处理指令只能在函数内部使用。
如果需要非常精确的延时或者调试时想要验证延时函数的实际执行时间,可以使用示波器来测定延时程序的执行时间。具体做法是在延时函数的开始处和结束处分别设置一个I/O口线的状态,比如将P1.0置高电平,然后使用示波器观察这个信号的变化,从而得到延时函数实际执行的时间。
总结来说,精确延时在51单片机上可以通过硬件定时器或软件循环来实现。硬件定时器的延时准确性高,适用于需要高精度延时的场合;软件延时则适用于那些没有足够定时器资源或者对精度要求不是特别高的场景。通过合理选择延时方法,并在编写代码时考虑到相关的机器周期开销,可以有效地实现各种延时需求。