单片机：实现延时函数（附带源码）

news2024/12/22 10:30:03

延时函数的实现：单片机编程的核心需求

在嵌入式开发中，延时函数是一个非常常见的需求。在很多情况下，程序需要暂停执行一定时间，通常是为了控制外设的工作周期，或者是为了实现定时功能。比如，控制LED闪烁、按键消抖、定时读取传感器数据等，往往需要利用延时函数来控制时间间隔。

实现延时函数通常有两种方式：

基于软件的空循环延时（Software Delay）
基于硬件定时器的延时（Hardware Timer Delay）

在本篇解读中，我们将聚焦于 软件延时 函数的实现，尤其是基于 空循环 来实现延时的原理。对于要求较高的精度和稳定性的应用，硬件定时器方式将是另一种更精确的方案，但在一些不复杂的任务中，空循环延时方式仍然是广泛应用的解决方案。

1. 延时函数实现的基本思路

延时函数的核心思想是通过执行一定数量的空操作指令（例如 NOP，即 No Operation 指令）来消耗时钟周期，达到延迟的效果。具体来说，通过控制 CPU 执行一个空循环，反复执行一些指令，从而消耗出一定数量的时钟周期，进而实现时间延迟。

延时函数的实现思路：

时钟频率计算： 单片机的时钟频率（如 16 MHz，72 MHz 等）决定了每个时钟周期的时间。通过知道每个时钟周期的时长，我们可以计算出一个指定延时时间（如 1 毫秒，1 微秒）所需要的循环次数。
空循环延时： 空循环延时是最简单的一种延时方式，CPU 执行的每一条指令会消耗一定的时钟周期，因此通过执行多次空指令（NOP 或其他无效指令），就可以累积消耗一定的时钟周期，进而控制延时时间。
控制延时时间： 通过计算系统时钟频率和所需的延时，我们可以通过编写一个循环，控制 NOP 指令的次数，来实现指定时间的延时。

2. 延时函数的工作原理与实现细节

2.1 延时函数的设计：

延时函数通常需要两个参数：

Delay_us：以微秒（us）为单位的延时函数。
Delay_ms：以毫秒（ms）为单位的延时函数。

在 C 语言中，这些函数的实现原理类似，但精度不同。微秒级的延时通常更精确，而毫秒级延时是通过调用多个微秒级延时函数来实现的。

`Delay_us` 函数设计：

为了设计 Delay_us（微秒延时），首先需要根据单片机的系统时钟频率来计算每次空循环的时间。假设单片机的时钟频率为 72 MHz，每个时钟周期的时长是：

时钟周期时间=172,000,000≈13.89 纳秒\text{时钟周期时间} = \frac{1}{72,000,000} \approx 13.89 \, \text{纳秒}时钟周期时间=72,000,0001≈13.89纳秒

如果我们想实现 1 微秒的延时，那么我们需要让 CPU 执行大约 72 次空循环指令（72 * 1）。这样可以消耗大约 1 微秒的时间。

2.2 `Delay_ms` 函数设计：

对于 Delay_ms（毫秒延时），我们通过多次调用 Delay_us 来实现。每调用一次 Delay_us(1000)，就相当于延时了 1 毫秒。因此，通过将 ms 作为参数传递，并递减 ms 值，可以实现所需的毫秒级延时。

3. 延时函数的代码实现

接下来，我们提供一个基于上述原理的具体代码实现：

#include "stm32f10x.h"

// 延时函数（单位：微秒）
void Delay_us(uint32_t us) {
    // 假设系统时钟频率为 72 MHz（72,000,000 Hz）
    // 每个时钟周期的时间 = 1 / 72,000,000 = 13.89 纳秒
    // 为了实现微秒级延时，我们计算出需要多少个循环来实现目标延时。

    uint32_t count = 72 * us / 10;  // 系统时钟为 72 MHz，/10 来弥补编译器优化等因素
    while (count--) {
        __NOP();  // 执行空操作指令，消耗一个时钟周期
    }
}

// 延时函数（单位：毫秒）
void Delay_ms(uint32_t ms) {
    // 通过调用 Delay_us 实现毫秒级延时
    while (ms--) {
        Delay_us(1000);  // 每次延时 1 毫秒（即 1000 微秒）
    }
}

4. 代码解读：

Delay_us 函数解读：
- Delay_us 函数接收一个参数 us，即希望延迟的微秒数。
- 根据系统时钟频率，计算每个微秒延时需要执行多少次循环。这里我们假设系统时钟为 72 MHz，所以每个时钟周期为 13.89 纳秒。为了实现精准的微秒延时，我们通过 count = 72 * us / 10 来计算所需的循环次数。
- __NOP() 是一个空操作指令，它不会进行任何计算，但会消耗一个时钟周期，达到延时效果。
Delay_ms 函数解读：
- Delay_ms 函数通过调用 Delay_us(1000) 来实现每次延时 1 毫秒。
- 循环递减 ms，每次调用 Delay_us(1000)，这样可以实现总的毫秒级延时。

5. 延时函数的优化与问题

编译器优化问题：
- 在编写空循环延时函数时，编译器可能会进行优化，导致延时不准确。为了避免编译器优化掉空循环，我们使用了 volatile 关键字来声明 count 变量。这可以告诉编译器不要优化该变量，从而确保延时函数的正确性。
时钟频率问题：
- 系统时钟频率对延时精度有直接影响。如果系统时钟频率较低，延时函数的精度就会降低。反之，时钟频率越高，延时越精确。如果时钟频率过高，空循环的延时会变得非常短，可能会超出计算的精度范围。
延时精度问题：
- 空循环延时的精度较低，尤其在高频时钟下，延时误差可能会增加。因此，在一些对延时精度要求较高的应用中，建议使用硬件定时器来替代软件延时。
优化空循环：
- 在计算循环次数时，需要考虑编译器对代码的优化，因此通常会稍微增加循环次数（如 /10 的修正）来弥补编译器优化的误差。

6. 延时函数的应用场景

延时函数在单片机开发中广泛应用，以下是一些典型应用场景：

LED 闪烁：
- 在嵌入式系统中，控制 LED 灯的闪烁是一项常见需求。通过调用延时函数，我们可以定时控制 LED 的开关，实现在固定时间间隔内闪烁的效果。
按键消抖：
- 按键输入的扫描通常会受到抖动的影响，延时函数常用于 按键消抖。通过延时函数，可以延时一段时间后再重新扫描按键，从而避免重复触发。
串口通信：
- 在串口通信中，延时函数用于控制数据的发送和接收。通过控制时间间隔，避免数据丢失或串口冲突。
传感器轮询：
- 延时函数常用于 传感器数据轮询。例如每隔一定时间读取一次温湿度传感器的值，或者在给定时间内等待传感器的响应。
蜂鸣器控制：
- 蜂鸣器的控制也常依赖延时函数，通过控制蜂鸣器的响铃时长和频率，可以实现报警、提示等功能。