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ARM的成功启示录

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51单片机 Keil C 延时程序的简单研究

2007-01-11 22:56发信站: BBS 水木清华站 (Fri Apr 15 10:54:23 2005),

站内ft2 (to2too) 于  (Mon Apr  4 23:20:41 2005) 

提到:by: InfiniteSpace Studio/isjfk,1.21.2004

任何人都可以在注明原作者和出处的前提下随意转载这篇文章，但不得用于商业目的。

    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12MH
z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个机器周
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        ;1个机器周期
0001 6003              JZ      ?C0010      ;2个机器周期
0003 1F                DEC     R7          ;1个机器周期
0004 80FA              SJMP    ?C0007      ;2个机器周期
                                           ; 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
                                           ; 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
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
;---- 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~~~

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硬件工程师必杀技

1 、充分了解各方的设计需求，确定合适的解决方案
     启动一个硬件开发项目，原始的推动力会来自于很多方面，比如市场的需要，基于整个系统架构的

需要，应用软件部门的功能实现需要，提高系统某方面能力的需要等等，所以作为一个硬件系统的设计

者，要主动的去了解各个方面的需求，并且综合起来，提出最合适的硬件解决方案。比如A项目的原始推

动力来自于公司内部的一个高层软件小组，他们在实际当中发现原有的处理器板IP转发能力不能满足要

求，从而对于系统的配置和使用都会造成很大的不便，所以他们提出了对新硬件的需求。根据这个目标

，硬件方案中就针对性的选用了两个高性能网络处理器，然后还需要深入的和软件设计者交流，以确定

内存大小，内部结构，对外接口和调试接口的数量及类型等等细节，比如软件人员喜欢将控制信令通路

和数据通路完全分开来，这样在确定内部数据走向的时候要慎重考虑。项目开始之初是需要召开很多的

讨论会议的，应该尽量邀请所有相关部门来参与，好处有三个，第一可以充分了解大家的需要，以免在

系统设计上遗漏重要的功能，第二是可以让各个部门了解这个项目的情况，提早做好时间和人员上协作

的准备，第三是从感情方面讲，在设计之初各个部门就参与了进来，这个项目就变成了大家共同的一个

心血结晶，会得到大家的呵护和良好合作，对完成工作是很有帮助的。

2 原理图设计中要注意的问题

     原理图设计中要有“拿来主义”，现在的芯片厂家一般都可以提供参考设计的原理图，所以要尽量

的借助这些资源，在充分理解参考设计的基础上，做一些自己的发挥。当主要的芯片选定以后，最关键

的外围设计包括了电源，时钟和芯片间的互连。

    电源是保证硬件系统正常工作的基础，设计中要详细的分析：系统能够提供的电源输入；单板需要

产生的电源输出；各个电源需要提供的电流大小；电源电路效率；各个电源能够允许的波动范围；整个

电源系统需要的上电顺序等等。比如A项目中的网络处理器需要1.25V作为核心电压，要求精度在＋5%-

－3%之间，电流需要12A左右，根据这些要求，设计中采用5V的电源输入，利用Linear的开关电源控制器

和IR的MOSFET搭建了合适的电源供应电路，精度要求决定了输出电容的ESR选择，并且为防止电流过大造

成的电压跌落，加入了远端反馈的功能。

    时钟电路的实现要考虑到目标电路的抖动等要求，A项目中用到了GE的PHY器件，刚开始的时候使用

一个内部带锁相环的零延时时钟分配芯片提供100MHz时钟，结果GE链路上出现了丢包，后来换成简单的

时钟Buffer器件就解决了丢包问题，分析起来就是内部的锁相环引入了抖动。

    芯片之间的互连要保证数据的无误传输，在这方面，高速的差分信号线具有速率高，好布线，信号

完整性好等特点，A项目中的多芯片间互连均采用了高速差分信号线，在调试和测试中没有出现问题。

3 PCB设计中要注意的问题
     PCB设计中要做到目的明确，对于重要的信号线要非常严格的要求布线的长度和处理地环路，而对

于低速和不重要的信号线就可以放在稍低的布线优先级上。重要的部分包括：电源的分割；内存的时钟

线，控制线和数据线的长度要求；高速差分线的布线等等。

     A项目中使用内存芯片实现了1G大小的DDR memory，针对这个部分的布线是非常关键的，要考虑到

控制线和地址线的拓扑分布，数据线和时钟线的长度差别控制等方面，在实现的过程中，根据芯片的数

据手册和实际的工作频率可以得出具体的布线规则要求，比如同一组内的数据线长度相差不能超过多少

个mil，每个通路之间的长度相差不能超过多少个mil等等。当这些要求确定后就可以明确要求PCB设计人

员来实现了，如果设计中所有的重要布线要求都明确了，可以转换成整体的布线约束，利用CAD中的自动

布线工具软件来实现PCB设计，这也是在高速PCB设计中的一个发展趋势。

4 检查和调试
     当准备调试一块板的时候，一定要先认真的做好目视检查，检查在焊接的过程中是否有可见的短路

和管脚搭锡等故障，检查是否有元器件型号放置错误，第一脚放置错误，漏装配等问题，然后用万用表

测量各个电源到地的电阻，以检查是否有短路，这个好习惯可以避免贸然上电后损坏单板。调试的过程

中要有平和的心态，遇见问题是非常正常的，要做的就是多做比较和分析，逐步的排除可能的原因，要

坚信“凡事都是有办法解决的”和“问题出现一定有它的原因”，这样最后一定能调试成功。

5 一些总结的话
      现在从技术的角度来说，每个设计最终都可以做出来，但是一个项目的成功与否，不仅仅取决于

技术上的实现，还与完成的时间，产品的质量，团队的配合密切相关，所以良好的团队协作，透明坦诚

的项目沟通，精细周密的研发安排，充裕的物料和人员安排，这样才能保证一个项目的成功。

      一个好的硬件工程师实际上就是一个项目经理，他/她需要从外界交流获取对自己设计的需求，然

后汇总，分析成具体的硬件实现。还要跟众多的芯片和方案供应商联系，从中挑选出合适的方案，当原

理图完成后，他/她要组织同事来进行配合评审和检查，还要和CAD工程师一起工作来完成PCB的设计。与

此同时，还要准备好BOM清单，开始采购和准备物料，联系加工厂家完成板的贴装。在调试的过程中他/

她要组织好软件工程师来一起攻关调试，配合测试工程师一起解决测试中发现的问题，等到产品推出到

现场，如果出现问题，还需要做到及时的支持。所以做一个硬件设计人员要锻炼出良好的沟通能力，面

对压力的调节能力，同一时间处理多个事务的协调和决断能力和良好平和的心态等等。

      还有细心和认真，因为硬件设计上的一个小疏忽往往就会造成非常大的经济损失，比如以前碰到

一块板在PCB设计完备出制造文件的时候误操作造成了电源层和地层连在了一起，PCB板制造完毕后又没

有检查直接上生产线贴装，到测试的时候才发现短路问题，但是元器件已经都焊接到板上了，结果造成

了几十万的损失。所以细心和认真的检查，负责任的测试，不懈的学习和积累，才能使得一个硬件设计

人员持续不断的进步，而后术业有所小成。
 

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