51单片机的延时计算

• 前言
• 正文
• 首先是时钟周期的算法：时钟周期（T）=1（秒）/晶振频率。
• 其次是机器周期：机器周期是由时钟周期组成的，机器周期是单片机完成一个基本操作所需要的时间。
• 1 传统的8051单片机：
• 2 STC单片机：
• 最后是指令周期：这个是单片机执行一条指令所需要的时间，它是由机器周期组成的。
• 总结

前言

我使用51,STC这一类的单片机做控制好几年，一直是使用现成的程序，在其上修修改改，以达到需求动作目的即可。从来都是不求甚解。想法既是如此，会用即可，了解那么多做什么。
此次又在做一项目，里面用到I2C通讯。本来是直接复制粘贴了事，却没想对里面的一个小小的延时函数起了兴趣，由于本人是基础功底只有5战斗力的渣渣，写写画画了一天才搞了个大体明白。
以前总是在看其他博主的文章，默默潜水。然而此次，突然就忍不住想写篇文章发表一下费尽心思的微不足道的心得体会。

正文

void Delay10us() //@12.000MHz { unsigned char i; _nop_(); _nop_(); i = 27; while (--i); } 上面这段代码是用STC-ISP软件中的软件延时计算器给出的，选用的是8051指令集STC-Y5，延时10us。
以前都是直接这么拿来用的，今天却突然想搞个明白，为什么代码要这么写。 于是查了各方资料。
从单片机计时的源头找起，它由下面几部分依次组成。

首先是时钟周期的算法：时钟周期（T）=1（秒）/晶振频率。

（比如：上面代码的时钟周期为1/12M（秒））。
这是单片机的基本时间单位。是由晶振震荡出来的，也叫震荡周期。

其次是机器周期：机器周期是由时钟周期组成的，机器周期是单片机完成一个基本操作所需要的时间。

关于机器周期，每种单片机可能都不太一样，我也只用过传统51和STC这两款，就拿此来对比下

1 传统的8051单片机：

它的1个机器周期是由12个时钟周期组成的。
以12M晶振举例，它的一个机器周期就是：12（个时钟周期）*1（秒）/12MHz = 1（us)

2 STC单片机：

拿我常用的STC12C5A60S2这款单片机来讲，它可以有两个模式选择，
一个是1T模式，在这个模式下STC单片机1个时钟周期就是1个机器周期；
另一个是12T模式，这个模式下STC单片就和传统的8051单片机一样，12个时钟周期组成1个机器周期。
由此可见1T模式的速度就是12T模式的12倍。
以12M晶振为例，1T模式下就可以算得机器周期是：
1（个时钟周期）*1（秒）/12Mhz = 1/12(us)

最后是指令周期：这个是单片机执行一条指令所需要的时间，它是由机器周期组成的。

现在可以回到正文开头的代码中了。这个10us的函数是怎么得出来的呢？
这个我之前查过很多资料，比如执行while语句需要多少个机器周期。赋值需要多少个周期。也就是查这个占用了我很大一部分时间。直到最后将上面的延时函数直接调到main函数中debug调试，才明白，问题其实很简单啊。
无论是执行什么语句，最终都会回到汇编上来，debug里单步调试，所有的指令周期就会明明白白了。
我用main函数直接调用延时函数,如下： void Delay10us() //@12.000MHz { unsigned char i; _nop_(); _nop_(); i = 27; while (--i); } main { Delay10us(); } 我用的keil软件，将上述build之后，点击debug，开始调试
.
看图片上，开始debug，程序的起始就在C:0x0183 020171 LJMP Delay10us(C:0171)，
这里有个长转移指令LJMP，它要转移到C:0171行去执行Delay10us这个函数。
那执行LJMP这个指令需要多长时间呢，查找STC数据手册，在1T模式下，此条指令在单片机上运行需要4个时钟周期。
接下来，按单步调试F11键，如下图：

程序成功转移到C:0171行，跳转到Delay10us函数中，此行程序执行NOP指令，空操作。查STC数据手册，NOP指令占用1个时钟周期。
接下来C:0172行，依然是NOP指令，1个时钟周期。
接下来C:0173行，此行执行 MOV R7,#0x1B，将立即数送入寄存器。是将27赋值给i。依然查手册，此条指令2个时钟周期。
继续：

此时执行到while语句了，这里执行的指令时 DJNZ R7,C:0175，寄存器减1非0转移。此条指令执行1次4个时钟周期。
上面已经将寄存器填入27了，因此这条指令将执行27次。
继续：

循环了27次，终于到0了，程序继续向下执行，此行指令RET，子程序返回。此条指令4个时钟周期。
继续：

程序又回到了起点。
好了，可以计算一下此次延时的时间了。1个LJMP，4时钟；2个NOP，2时钟;1个MOV，2时钟；27个DJNZ，108时钟；1个RET，4时钟。
4+2+2+108+4=120。
单片机的时钟周期是：1（S）/12MHz = 1/12（us）
此次延时的时间是：120 × 1/12（us）= 10（us）

总结

其实并没有绝对的准确延时，上面只是理想化的状态，单片机的中断或者其他事件都可能影响到延时的。
另外，同样的STC单片机，同样的延时10us，同样的1T，官方给出的STC12系列和STC15系列的延时函数就不一样，STC12系列在延时函数内部要少两个NOP指令。debug对比，也是少量NOP，其他都一样。按照12系列和15系列的手册描述，他们的指令周期是相同的。那么他们的差别在哪？单片机内部结构的问题还是官方错误造成的误差？
各位大神若有知晓的望请告知。不胜感激。