单片机中的 _nop_() 函数及 us 延时

news2024/9/28 5:24:52

使用 _nop_() 函数做延时遇到的一些问题  ...... by  矜辰所致

前言

最近还是继续做着项目，因为在某 8051 内核芯片上使用到了 I2C 通讯，又需要 _nop_() 函数来实现 us 延时，那么正好来写一篇与_nop_() 函数有关的文章。

我是矜辰所致，全网同名，尽量用心写好每一系列文章，不浮夸，不将就，认真对待学知识的我们，矜辰所致，金石为开！

一、 NOP 指令

_nop_() 函数产生的是 NOP 指令，先来简单介绍一下 NOP 指令，基本介绍走个流程把：

NOP 是编程语言中一个经常用到的指令，它的全称是 No Operation，即无操作指令。

NOP 是汇编语言中的一个伪指令，通过NOP一系列的编程语句，能够不改变任何程序可以访问的寄存器。

1.1 NOP 指令的作用

我们知道，指令、数据对齐可以有效地提高程序的性能，使用 NOP 指令，可以使得指令按字对齐，从而提高效率。
比如一条指令占用 3 个字节，再加上一个 NOP 指令，就使得指令 4 字节对齐了。
通过 NOP 指令产生一定的延迟，这与 CPU 的频率有关系，适用于一些频率低的单片机场合。
计算机在输入或者输出的过程中，使用 NOP 指令可可以很好的等待计算机缓冲区清空，等待总线恢复正常，其实也算是延时的一种了

二、单片机中的 `_nop_()` 函数

1.1 C语言中的 NOP

如果使用汇编语言，我们可以直接使用 NOP 指令的，直接写一个 nop 就可以，比如下面示例：

        .text                   ; 代码段开始
        .syntax unified         ; 

start:
        mov r0, #0x55          ; 将0x55存储在寄存器R0中
        nop                    ; 插入NOP指令
        mov r1, #0xAA          ; 将0xAA存储在寄存器R1中

        add r2, r0, r1         ; 将R0和R1相加并将结果存储在R2中

但是我们在单片机中编程，现在都是使用 C 语言，对于 C 语言本身来说，是没有空语句的。

但是我们在做51单片机的开发中，在库文件中提供了一个void _nop_(void);函数，这个函数声明一般在 intrins.h 头文件当中，我们只需要 #include <intrins.h> 就可以使用 _nop_(); 函数了。

比如：
在这里插入图片描述

我们已经知道了 nop 是空语句，什么都不做，但是在这里我们还是得明确的知道一个 _nop_()表示空循环一个机器指令的时间。

1.2 nop 函数消耗的时间

那么在我们的单片机中，一个 nop 的时间是多少呢？、

上面说到，一个 nop 表示一个机器周期，那么一个机器周期是多少？

机器周期当然与主频有关，在单片机中指的就是晶振的频率。

首先基本的东西还是要知道的一个机器周期包含12个晶振周期。所以我们可以通过下面的计算得知 nop 函数消耗的时间：

假设单片机 12M 晶振，晶振周期1/12微秒，一个机器周期包含12个晶振周期，所以12M晶振时机器周期 = 12x(1/12)us = 1us 。
.
所以12M 晶振中一个 nop 表示延时1us；
6M 晶振中延时2us,24M 晶振中延时 0.5 us

至于其他的晶振频率，我们可以按照上面的计算代入即可。

对于 _nop_() 函数其实在我以前的文章 BH1750 传感器实战教学 —— 驱动移植篇中有过说明：

在这里插入图片描述

三、用 `_nop_()` 延时的注意事项

到此，我们已经可以知道在我们的程序中，一个 nop 函数执行所需要时间，我们可以利用多个 _nop_() 函数来实现一些 us 级别的延时。

比如我以前一些帖子里面提到的在 51 上面的 I2C 通讯：

在这里插入图片描述

在上图中，就是一个简单的 I2C 其实信号的实现方式，在上图中，有说明多几个 nop 少几个 nop 无所谓，实际上现在看来是有问题的，这让我付出了代价，这一点我后面会在写某个传感器测试博文的时候会提到。

3.1 函数调用对延时的影响

那么本文这里要说明的是一些使用时候的问题，依然是我以前文中提到的，在 STM32 HAL 库中没有 us 延时，所以我一直用的是：

void delay_us(uint32_t Delay)
{
	uint32_t cnt = Delay * 8;   // 32Mhz ,其他频率其他倍数
	uint32_t i = 0;
	for(i = 0; i < cnt; i++)__NOP();
}

于是乎，对于本次使用的 16MHZ 晶振的 51 芯片，我改成了如下：

void delay_us(uint32 Delay)
{
  uint32 cnt = Delay * 4;   // 32Mhz 8 ,其他频率其他倍数  	  16Mhz慢一点  4
  uint32 i = 0;
  for(i = 0; i < cnt; i++)_nop_();
}

然后自然的把上面的 I2C_Start 改成如下：

void I2C_Start1(void)
{
   sda_high();
   delay_us(5);
   scl_high();
   delay_us(10);
   sda_low();
   delay_us(10);
   scl_low(); //使SCL置低，准备发送或者接受数据
   delay_us(10);
}