【51单片机】延时函数计算问题以及如何准确延时

单片机周期与时序详解

几种周期介绍




周期名称描述时间
振荡(时钟)单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期T=1/f
状态振荡周期经二分频后得到的2T
机器在一个机器周期内,CPU可以完成一个独立的 操作12T
指令指CPU完成一条操作所需的全部时间12-12nT

指令:

1、MUL、DIV:仅有的4周期指令

2、包含DPTR和PC的指令均为2周期指令

3、所有的绝对跳转和条件转移指令,均为2周期指令

4、所有包括A寄存器的指令,均为单周期指令

5、位操作指令中,ANL和ORL是2周期指令

6、所有包含立即地址的指令,除INC direct及DEC direct外,均为2周期指令

7、剩下的均为单周期指令。



STC-ISP软件查看各操作用时以及延时函数




_nop_函数可以在keil软件的C51->HLP->C51lib.chm文档中查阅  (授人以鱼不如授人以渔)




延时函数计算


示例:

void delay(uint z)

{

	uint i,j;

	for(i=z;i>0;i--)

		for(j=0;j<921;j++);

}

分析:

1.先计算你单片机的振荡(时钟)周期 T= 1/晶振(11.0592MHZ)

2.一次i--操作为12T

3.忽略变量定义,上述延时函数共需时间:921*z*12T

4.带入T:921*12*T*z 约为 z ms



计算出现误差的原因


1.软件仿真时,函数调用的时候入栈出栈操作的耗时。

2.指令周期随指令的不同而不同导致的误差。

3.中断的影响。

4.变量的范围超过,从而与预计时间不一样。


所以实际上我们应该只能算出估计值,根据最开始周期的信息来计算延时函数中延时的时长。

<think>首先,用户的问题是:“我想了解51单片机延时函数计算方法 请问51单片机延时函数计算方法”。我需要基于用户提供的引用内容来回答。系统指令要求使用中文回答,确保LaTeX语法正确,并在行内数学表达式中使用$...$,独立公式使用$$...$$。还要生成相关问题。 用户的引用中包含了几个关键点: - 引用[1]:给出了一个延时函数的例子,使用了三重循环。 - 引用[2]:讨论了延时时间的计算,提到了晶振为12MHz,指令集STC-Y1(89系列),使用do while循环。 - 引用[3]:强调了精确延时,提到了使用STC12C5412系列单片机,12倍速。 - 引用[4]:解释了单片机内部执行语句花费12个时钟频率,即机器周期=12*时钟频率。给出了晶振11.0592MHz的延时程序。 - 引用[5]:详细介绍了时钟周期、指令周期、机器周期和状态周期的关系,以及延时计算和定时器配置。 核心是计算51单片机延时函数延时函数通常是通过循环执行指令来实现的,每个指令的执行时间取决于单片机的时钟周期。 从引用[4]和[5]中,51单片机的机器周期是12个时钟周期。也就是说,执行一条指令通常需要12个时钟周期,但有些指令可能需要不同时间。在延时计算中,我们通常假设每条指令消耗固定的机器周期。 例如,引用[4]提到:“单片机内部每执行一条语句需要花费12个时钟频率。也就机器周期=12*时钟频率”。 引用[5]确认:“对于8051,一个机器周期包含12个时钟周期”。 所以,关键公式是: - 机器周期 = 12 / 时钟频率 - 延时时间 = (指令数 × 机器周期) 但延时函数使用循环,所以需要计算循环体中的指令数和循环次数。 引用[1]的例子:void delay500ms(void) 使用三重循环: - for(i=15; i>=0; i--) - for(j=202; j>=0; j--) - for(k=81; k>=0; k--) 每个循环变量递减,直到0。在C语言中,这种循环的执行时间取决于单片机的指令执行速度。 为了计算延时,我们需要: 1. 确定时钟频率(例如11.0592MHz或12MHz)。 2. 计算每个指令的机器周期(通常是12个时钟周期)。 3. 分析循环中的指令数量。 4. 结合循环次数计算延时。 引用[2]提到使用STC-ISP生成延时函数计算延时时间。 引用[3]强调精确延时,使用了12倍速的单片机,所以需要注意不同单片机的差异。标准51单片机是12时钟周期,但有些增强型如STC可能有不同。 在回答时,我需要结构化: - 解释基本概念:机器周期、时钟周期的关系。 - 给出计算步骤。 - 举例说明。 - 生成相关问题。 使用数学表达式: - 行内:如时钟频率 $f$,机器周期 $T_m = 12 / f$。 - 独立公式:如果需要,用$$...$$。 引用标识:在段落末尾添加[^n]。 生成相关问题。 步骤: 1. **介绍延时函数的作用**:在单片机程序中,延时函数用于暂停程序执行一段时间。 2. **解释周期关系**: - 时钟周期 ($T_{clk}$) = 1 / 时钟频率 ($f$) - 机器周期 ($T_m$) = 12 × T_{clk} (对于标准51单片机) - 指令周期通常是机器周期的整数倍。 3. **计算方法**: - 总延时 = (总指令数) × T_m - 对于循环延时,需要计算循环体内的指令数和循环次数。 4. **示例计算**: - 使用引用[1]中的例子或简单例子。 - 假设晶振12MHz:f = 12e6 Hz - T_{clk} = 1/f = 1/12e6 s - T_m = 12 × T_{clk} = 12 / 12e6 = 1e-6 s = 1 μs - 现在,分析一个简单循环指令的执行时间。 5. **优化和注意事项**:如编译器优化、精确延时方法(使用定时器)。 6. **生成相关问题**:至少3个相关问题。 生成相关问题: 1. 如何为不同晶振频率计算延时函数? 2. 定时器延时与软件延时有什么区别? 3. 如何实现精确的微秒级延时? 确保回答用中文。 </think>### 51单片机延时函数计算方法 在51单片机程序中,延时函数通过软件循环实现精确时间延迟,常用于控制时序或等待外部事件。计算延时时间的关键在于理解单片机的时钟周期和指令执行机制。下面基于用户提供的引用内容(尤其是引用[4]和[5]),逐步说明计算方法。核心原理是:51单片机(标准8051架构)的一个**机器周期**由12个**时钟周期**组成,每条指令执行所需的时间取决于其消耗的机器周期数[^4][^5]。 #### 1. **基本概念和公式** - **时钟周期** ($T_{clk}$):是单片机晶振频率的倒数,即 $T_{clk} = \frac{1}{f}$,其中 $f$ 是晶振频率(单位:Hz)。 - **机器周期** ($T_m$):执行一条指令的基本单位。对于标准51单片机,一个机器周期消耗12个时钟周期: $$ T_m = 12 \times T_{clk} = \frac{12}{f} $$ 例如,晶振频率 $f = 12 \text{MHz} = 12 \times 10^6 \text{Hz}$ 时,$T_m = \frac{12}{12 \times 10^6} = 1 \times 10^{-6} \text{s} = 1 \mu\text{s}$。 - **指令周期**:大多数指令执行需要1个或2个机器周期。在延时函数中,常用指令如 `for` 循环、赋值和比较指令,通常消耗1个机器周期[^4][^5]。 - **总延时时间** ($T_d$):取决于程序中指令的总执行时间: $$ T_d = (N_{\text{total}}) \times T_m $$ 其中 $N_{\text{total}}$ 是总指令数(考虑循环和嵌套)。 #### 2. **计算步骤(以软件循环延时为例)** 延迟计算需要分析延时函数的汇编代码或预估指令数。以下是通用步骤: 1. **确定晶振频率** ($f$):例如,12MHz 或 11.0592MHz(常用值)。 2. **计算机器周期** ($T_m$):使用公式 $T_m = \frac{12}{f}$。 3. **分析延时函数的指令**: - 循环结构(如 `for`,`while`)会重复执行内部指令。 - 每次循环包含多条指令(如初始化、比较、跳转),每条指令消耗1个机器周期(多数情形)。 - 总指令数 $N_{\text{total}} = \sum (\text{循环次数} \times \text{循环体内指令数})$。 4. **计算延时**:$T_d = N_{\text{total}} \times T_m$。 **示例:计算引用[1]中的 `delay500ms` 函数** - 函数代码: ```c void delay500ms(void) { unsigned char i,j,k; for(i=15; i>=0; i--) for(j=202; j>=0; j--) for(k=81; k>=0; k--); } ``` - 假设晶振 $f = 12 \text{MHz}$,则 $T_m = 1 \mu\text{s}$(计算如上)。 - 分析指令数(基于标准8051指令集): - 外层循环 `i`:执行16次(i从15到0)。 - 中层循环 `j`:每次 `i` 循环中,`j` 执行203次(j从202到0)。 - 内层循环 `k`:每次 `j` 循环中,`k` 执行82次(k从81到0)。 - 循环体内的指令:内层 `k--` 和比较指令,每条约消耗1个机器周期。简化计算中,总循环次数为乘积: $$ N_{\text{cycles}} = 16 \times 203 \times 82 $$ 计算得 $N_{\text{cycles}} = 16 \times 203 = 3248$; $3248 \times 82 = 266,336$ 次。 - 额外指令:循环初始化等约消耗10–20个机器周期(可忽略影响)。 - 总指令数 $N_{\text{total}} \approx N_{\text{cycles}} = 266,336$(假设每次循环体消耗1个机器周期)。 - 计算延时: $$ T_d = N_{\text{total}} \times T_m = 266,336 \times 1 \mu\text{s} = 266,336 \mu\text{s} \approx 266 \text{ms} $$ 实际函数目标是500ms,但计算结果为266ms,这可能是由于编译器优化或指令细节差异(如某些指令需要2个机器周期)。调整参数可精确匹配[^1][^4]。 #### 3. **注意事项** - **精确延时**:实际延时受编译器优化、指令类型(如DJNZ指令效率高)影响。使用STC-ISP等工具可自动生成精确延时函数(如引用[2][^2])。 - **增强型单片机**:如STC12系列(12倍速),机器周期可能缩短(e.g., $T_m = \frac{1}{f}$),需查阅数据手册[^3]。 - **定时器 vs. 软件延时**:软件延时简单但占用CPU;高精度需求建议用定时器中断(见引用[5])。 - **通用公式**:对于简单循环(e.g., `for(k=N; k>0; k--)`),延时近似为: $$ T_d \approx N \times (\text{循环体指令数}) \times T_m $$ 其中循环体指令数通常为3–5条(初始化、比较、跳转)[^4]。 #### 4. **优化建议** - **参数调整**:通过实验或计算器(如STC-ISP)校准循环次数。 - **代码优化**:使用内联汇编或 `_nop_()`(空操作指令)提高精度。 - **定时器方法**:配置定时器寄存器(如引用[5]中的TMR1H/TMR1L),更可靠[^5]。
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