程序中延時功能實現原理：軟延時

在 硬件 API 長什麼樣兒？一文中我們使用了延時函數來保證硬件 API 要求遵守的時序協議。示例：

void write_zero()
{
    DS18B20_DQ = 0; 
    delay_60us();
    DS18B20_DQ = 1;
    // 總線恢復時間
    delay_2us();
}

代碼中的 delay_2us() 和 delay_60us() 都是延時函數並且它們屬於軟延時，用軟件模擬的延時。與之相對的是硬延時，即用定時器等硬件來更精確地設置延時。

軟延時的原理就是讓 CPU 執行一些指令，並且執行這些指令所用的時間等於想要延時的時間，同時執行這些指令不應該影響程序的結果。例如，可以使用空循環：

for (i = 0; i < 1000; i++) {
  // noop
}

現在，問題轉變爲如何計算指令執行時間，比如執行上例的循環到底需要多長時間？要回答這個問題需要弄清楚 CPU 時序，明白 CPU 是怎麼執行指令的。下文使用 8051 單片機舉例，因爲它的實現特別簡單。

CPU 振盪週期（時鐘週期）

驅動 CPU 不停地自動執行下一條指令的關鍵部件是 “時鐘”。時鐘不間斷地產生高低電平的脈衝信號來驅動電路。如下圖所示：

晶體振盪器（簡稱晶振）使用了特殊的石英晶體元件，它在特定條件下能夠產生穩定的週期性振盪信號，經過特殊處理後可以用作時鐘。晶振可以長下面這個樣子：

時鐘頻率是時鐘的一項關鍵指標。它表示 1 秒內時鐘脈衝週期性變化的次數，單位爲赫茲 Hz。時鐘頻率反映了脈衝信號週期性變化的快慢，頻率越高振盪速度越快。它也在一定程序上決定了 CPU 速度的快慢。

拿上圖中的晶振舉例，上面的 12.000 表示頻率爲 12MHz，即 1 秒鐘完成 12, 000, 000 個振盪週期。因此，1 個振盪週期用時爲 (1 秒 / 12, 000, 000)，即 1/12 微秒 (μs)。

CPU 機器週期（machine cycle）

機器週期用於衡量計算機指令的執行時間。例如，執行指令 A 需要 1 個機器週期、執行指令 B 需要 2 個機器週期等等。在 51 單片機中，機器週期與振盪週期的關係爲（假設使用了 12MHz 晶振）：

接下來，我們需要知道每條指令的執行需要多少個機器週期。方法是查詢芯片廠商的技術文檔，因爲這是由指令的詳細設計和實現所決定的。

示例 1，NOP 空操作指令，需要 1 機器週期，即 1 微秒：

示例 2，DIV 除法指令，需要 4 機器週期，即 4 微秒：

開始編程

延時 1 微秒：

// 注意，這是一個特殊的庫函數！它不表示函數調用！！
// 編譯器會將其編譯爲一個 NOP 彙編指令
_nop_();

延時 2 微秒：

// 注意，這是一個特殊的庫函數！它不表示函數調用！！
// 編譯器會將其編譯爲一個 NOP 彙編指令
_nop_();
_nop_();

延時 4 微秒：

void delay_4us()
{
  // no-op
}
delay_4us();

解釋：這裏我們定義了一個空函數 delay_4us()，然後直接調用這個空函數就相當於延時 4 微秒。因爲，調用函數使用 LCALL 彙編指令，需要 2 個機器週期；從函數返回使用 RET 彙編指令，需要 2 個機器週期；一共 4 個機器週期，即 4 微秒。

延時 5 微秒：

void delay_5us()
{
  _nop_();
}
delay_5us();

延時 100 微秒：

void delay_100us()
{
  unsigned char i;
  _nop_();
  i = 47;
  while (--i);
}
delay_100us();

解釋：此例又增加使用了 MOV 和 減 1 非零轉移指令。如果延時較長，則需要使用某種形式的循環，不可能拷貝 N 個 NOP 指令的。

總結

指令和週期還有很多技術細節本文並沒有描述。軟延時不總是可靠的，原因之一是因爲中斷系統的存在。在軟延時空跑指令的時候，有可能中斷被觸發，這時 CPU 轉而去處理中斷請求；等中斷處理完畢，CPU 纔會回到之前的延時程序，此刻的延時時間早就過去了。因此，更準確的延時 / 定時功能需要使用定時器中斷功能。

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