如何在8051單片機上編程一個阻塞延遲函數？

Q A & 問：如何在 8051 單片機上編程一個阻塞延遲函數？

大家可能熟悉Arduino IDE 中的?delay() 函數。這是一個簡單的函數，它提供了一個適用于Arduino 微控制器系列中所有成員的阻塞延遲。當你過渡到裸機微控制器編程時，你可能會發現自己在尋找類似的代碼。不幸的是，你不太可能在8051 “標準庫”中找到這樣一個延遲函數。

在本文中，我們將簡要探討硬件延遲方法，然后使用一組嚴格定義的假設提出?8051 Busy Bee?解決方案。

這種明顯的 delay() 遺漏的最大原因可能是靈活性。了解 Arduino 代碼控制了底層微控制器的很大一部分。時鐘速度和專用計時器都是預定義的，隱藏在后臺。這種隱藏的一致性允許簡單的編程體驗，delay() 函數在所有平臺上執行相同。否則需要 Arduino 程序員對外設的體系結構和操作有大量的了解。這樣的行為違背了 Arduino 為初學者和業余愛好者提供可訪問性的目的。

在典型的 8051 環境中，情況就大不相同了。沒有什么是隱藏的，你通常需要配置所有必要的外圍設備。你還可以負責時鐘，并可以自由選擇高速外部，內部，32.678 kHz 甚至深度睡眠，只有看門狗計時器定期喚醒微控制器。這些選項中的每一個都會損壞甚至停止一個函數，如 delay() 按預期運行。

找到一份 Busy Bee?參考手冊，讓我們開始吧。

技術貼士：術語阻塞意味著微控制器的主代碼在整個延遲期間被阻塞(什么都不做)。對于小的延遲和簡單的問題，這通常是可以接受的，但可能導致不可接受的操作。例如，當阻塞延遲正在進行時，微控制器將對按鈕按下無響應。這個問題的替代方案包括中斷和非阻塞延遲。

許多延遲選項是可用的

讓我們首先認識到，在微控制器中構造延遲函數的方法有很多種。一個簡短的列表可能包括:

以 NOP (什么都不做指令)為特征的精心構造的匯編代碼。在這里，程序員將根據每個匯編命令的特征計算微控制器的時鐘周期。

帶有矢量中斷的硬件定時器。與延遲相關的操作可以嵌入到中斷服務例程( ISR )中，或者中斷可以維持類似于 Arduino?millis() 函數的系統時間。

免費運行硬件定時器而不中斷。這里硬件定時器是不斷運行的。這類似于看一個帶模數60運算的掛鐘。假設當前時間是50秒，而你想要一個20秒的延遲。然后你會一直等到秒針到達10秒。在 8051 中，這樣的解決方案將根據選擇的計時器類型對 256 或 25536 取模。操作的“速度”取決于系統時鐘和定時器的預量程配置。

不使用中斷的受控硬件定時器。使用這種方法，用戶程序將停止定時器，預加載定時器到一個已知值，啟用定時器，并等待溢出發生。

每種方法都有優點和缺點。選擇在很大程度上取決于單個項目的需求、程序員的技能、未來的可維護性以及可用的硬件資源。例如，如果項目需要一致的心跳，帶有矢量中斷的硬件計時器就是一個非常好的解決方案。這種精確的周期性定時對于比例積分導數控制器或使用 DAC 生成波形來說是很好的。 ?

阻塞延遲

在這篇文章中，我們將介紹一個使用無中斷硬件計時器的解決方案?；叵胍幌?，微控制器的硬件計時器通常就像時鐘的秒針一樣計數。在此代碼開發中使用的?Silicon Labs?的?EFM8BB1 8051?具有一個定時器集合，其中包括四個16位通用硬件定時器，向后兼容標準 8051。

16位定時器具有模數2^16運算。與從0到60計數的時鐘一樣，16位計時器在回滾到 0 之前也會從 0計數到 65535。這個溢出事件是特殊的，因為硬件會自動設置一個中斷標志。這個操作建議在高度簡化的圖1框圖中。

圖?1?: BusyBee 定時器?#2?的簡化框圖。 技術貼士：外設的中斷標志不會自動啟動中斷。只有在中斷或擴展中斷使能電阻中設置了相關的中斷使能位時，它才會這樣做。

這個中斷標志是本文所附代碼中描述的阻塞延遲的關鍵。延時的操作描述如下:

將合適預售和模式的定時器分別配置為 1:1 和16位自動重載。還要使用sbit操作符別名運行控制和中斷標志。這些操作在while(1)超級循環之前執行一次。

關閉定時器并清除中斷標志。

用期望的延遲值加載計時器。

啟用計時器的運行位。

在 while 循環中旋轉(什么都不做)，直到中斷標志。此操作將阻塞所有其他 main() 代碼，直到設置該標志。

技術提示：最初的8051是一個獨特的架構，能夠在位級寄存器上操作。這導致了快速的代碼，而不需要使用掩碼來選擇寄存器內的特定位。這是使用Keil C51特殊功能寄存器（Sbit）匯編器語句完成的。

在EFM8BB1等衍生產品中保留了這種向后能力。然而，較新的產品比最初的8051包含了更多的外設和相關的SFRs。不幸的是，并非所有的寄存器都是位可尋址的。只有以0x0或0x8結尾的寄存器才能使用這種方便快捷的位操作。仔細查看參考手冊，可以發現地址為0xC8的TMR2CN0是位可尋址的。

調用和數字開銷

在結束本文之前，我們需要考慮與調用函數和計算重載值相關的開銷。例如，這一小段代碼帶來了一個嚴重的問題:

tmr_load = -((n_us * 49)>> 1);

它試圖聰明地解釋每微秒24.5個時鐘節拍。它沒有使用float類型來解釋半比特，而是先乘以49，然后使用右移操作除以2;一個為高位，一個為低位，帶進位。

最后一步是用216減去裝彈值。簡寫就是對結果求反。換一種說法，在模65536環境中，65536 - x提供的答案與0 - x相同，因為65536 = 0(模65536)。這和60 = 0(模60)的時鐘是一樣的。

在下一行代碼中，我們將100添加到tmr_load變量中。這是一個粗略的方法，用于計算函數調用開銷以及計算tmr_load所需的時間?；叵胍幌?，Busy Bee沒有硬件乘法器。因此，通過8位ALU執行8位乘16位乘法需要時間。

這個函數開銷的一個犧牲品是接受小延遲的能力。它的開銷大約為4us，因此不可能延遲更小的東西。如果需要這些小延遲，應該使用前面提到的帶有NOP操作的手工編碼匯編程序。

真實世界的結果如圖2所示，我們看到一個引腳為5 us高，5 us低，然后又高。對于相關的blk_ms_delay也獲得了類似的結果，其中blk_ms_delay(2000)的調用在0.01 ms內，由?Digilent?的?471-060?（Analog Discovery）測量。你是否同意阻塞函數提供了合理的性能?