屏弃Delay()，高效率单片机

ID:103513 · 发表于 2016-1-16 22:36

//2015.09.06 于厦门软二. 程序思想转变
单片机已经学了4、5年头了，一直用惯了delay()函数，意识到电子工程师们的硬件编程思想与PC机底层编程思想上的很多不同，引发了一些思考。

学单片机时，老师都教我们用Delay（）函数。

绝大多数8位的单片机程序，它们的单片机99.9%的工作时间都在打空转，（是否吓了一跳，竟然让单片机空转以实现和外界同步，这怎么可能？试想，如果PC机CPU空转一秒，那么音乐会断一秒、画面会停顿一秒、下载文件会断一秒，这怎么可行？）这是一种教条的思想，把书读死了。

99.9%大家可能感到有些危言耸听，那就让我们算一算：

已内部8M频的AVR单片机来说，单指令周期仅为1/8 = 0.125us，那一毫秒可以执行多少个单周期指令？ 1%0.125*1000 = 8000个而我看到论坛里下到的绝大多数程序，两个延时函数之间代码的执行时间要远远小于8000个指令周期。

说实话，很多16K以上的程序，把所有延时函数去掉，总体能执行几毫秒就不错了。换句话说，我说单片机的利用率小于0.01%还是口下留情了。

要说怎么解决问题，就要先找到问题，我问问大家，程序中，我们为什么延时？原因很多，可能是外设速度太慢，也可能是为了躲过人眼视觉停留时间，等等。总之就是与外界不同步，而我们想要同步。

所以说这些延时应该是很有道理的，我不否定这一点，但问题的关键这些延时空转，我们为什么不能把这些时间回收起来做一些别的事呢？

试想，如果把这99.9%的时间回收，那可以一笔相当巨大的资源。

有很多人有些特殊方法回收过这些空转时间，比如说在延时函数中做点事。

但这些往往都不通用，下面我说一些我的两种方法：

1.从点亮LED(发光二极管)开始

在市面上众多的单片机学习资料中，最基础的实验无疑于点亮LED了，即控制单片机的I/O的电平的变化。

如同如下实例代码一般

void main(void)

{

LedInit() ;

While(1)

{

LED = ON ;

DelayMs(500) ;

LED = OFF ;

DelayMs(500) ;

}

程序很简单，从它的结构可以看出，LED先点亮500MS，然后熄灭500MS，如此循环下去，形成的效果就是LED以1HZ的频率进行闪烁。下面让我们分析上面的程序有没有什么问题。

看来看出，好像很正常的啊，能有什么问题呢？这个时候我们应该换一个思路去想了。试想，整个程序除了控制LED = ON ； LED = OFF；这两条语句外，其余的时间，全消耗在了DelayMs(500)这两个函数上。而在实际应用系统中是没有哪个系统只闪烁一只LED就其它什么事情都不做了的。因此，在这里我们要想办法，把CPU解放出来，让它不要白白浪费500MS的延时等待时间。宁可让它一遍又一遍的扫描看有哪些任务需要执行，也不要让它停留在某个地方空转消耗CPU时间。

从上面我们可以总结出

(1) 无论什么时候我们都要以实际应用的角度去考虑程序的编写。

(2) 无论什么时候都不要让CPU白白浪费等待，尤其是延时(超过1MS)这样的地方。

下面让我们从另外一个角度来考虑如何点亮一颗LED。先看看我们的硬件结构是什么样子的。

红色的压降为1.82-1.88V，电流5-8mA，

绿色的压降为1.75-1.82V，电流3-5mA，

橙色的压降为1.7-1.8V，电流3-5mA

兰色的压降为3.1-3.3V，电流8-10mA，

白色的压降为3-3.2V，电流10-15mA，

(供电电压5V，LED直径为5mm)

74HC573真值表如下：

一般的LED的正常发光电流为10~20MA而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。在上图中我们可知，当Q1~Q8引脚上面的电平为低电平时，LED发光。通过LED的电流约为（VCC - Vd）/ RA2 。其中Vd为LED导通后的压降，约为1.7V左右。这个导通压降根据LED颜色的不同，以及工作电流的大小的不同，会有一定的差别。下面一些参数是网上有人测出来的，供大家参考。

需要注意的是，通过74HC573的最大电流是有限制的，否则可能会烧坏74HC573这个芯片。上面这个图是从74HC573的DATASHEET中截取出来的，从上可以看出，每个引脚允许通过的最大电流为35mA 整个芯片允许通过的最大电流为75mA。在我们设计相应的驱动电路时候，这些参数是相当重要的，而且是最容易被初学者所忽略的地方。同时在设计的时候，要留出一定量的余量出来，不能说单个引脚允许通过的电流为35mA，你就设计为35mA，这个时候你应该把设计的上限值定在20mA左右才能保证能够稳定的工作。

（设计相应驱动电路时候，应该仔细阅读芯片的数据手册，了解每个引脚的驱动能力，以及整个芯片的驱动能力）

了解了相应的硬件后，我们再来编写驱动程序。

#include<reg52.h>

sbit LED_SEG = P1^4; //数码管段选

sbit LED_DIG = P1^5; //数码管位选

sbit LED_CS11 = P1^6; //led控制位

sbit ir=P1^7;

//首先定义LED的接口然后为亮灭常数定义一个宏

#define LED P0 //定义LED接口

bit g_bSystemTime1Ms = 0 ; // 1MS系统时标

//下面到了重点了，究竟该如何释放CPU，避免其做延时空等待这样的事情呢。

很简单，我们为系统产生一个1MS的时标。假定LED需要亮500MS，熄灭500MS，那么我们可以对这个1MS的时标进行计数，当这个计数值达到500时候，清零该计数值，同时把LED的状态改变。

unsigned int g_u16LedTimeCount = 0 ; //LED计数器

unsigned char g_u8LedState = 0 ; //LED状态标志, 0表示亮，1表示熄灭

#define LED_ON() LED = 0x00 ; //所有LED亮

#define LED_OFF() LED = 0xff ; //所有LED熄灭

void Timer0Init(void) //定时器初始化

{

TMOD &= 0xf0 ;

TMOD |= 0x01 ; //定时器0工作方式1

TH0 = 0xfc ; //定时器初始值

TL0 = 0x66 ;

TR0 = 1 ;

ET0 = 1 ;

}

void LedProcess(void) //计时到_执行LED动作

{

if(0 == g_u8LedState) //如果LED的状态为亮，则点亮LED

{

LED_ON() ;

}

else //否则熄灭LED

{

LED_OFF() ;

}

void LedStateChange(void) //1ms计时到_执行动作

{

if(g_bSystemTime1Ms) //系统1MS时标到

{

g_bSystemTime1Ms = 0 ;

//在我们的定时器中断函数中对其置位，其它函数使用该变量后，应该对其复位(清0)

g_u16LedTimeCount++ ; //LED计数器加一

if(g_u16LedTimeCount >= 500) //计数达到500,即500MS到了,改变LED的状态。

{

g_u16LedTimeCount = 0 ; //LED计数器_清0

g_u8LedState = ! g_u8LedState; //LED状态标志, 0表示亮，1表示熄灭

}

//因为LED的亮或者灭依赖于LED状态变量(g_u8LedState)的改变，而状态变量的改变，又依赖于LED计数器的计数值(g_u16LedTimeCount ，只有计数值达到一定后，状态变量才改变)所以，两个函数都没有堵塞CPU的地方。

void main(void)

{

Timer0Init() ;

EA = 1 ;

LED_CS11 = 1 ; //74HC595输出允许

LED_SEG = 0 ; //数码管段选和位选禁止(因为它们和LED共用P0口)

LED_DIG = 0 ;

while(1)

{

LedProcess() ; //

LedStateChange() ; //计时到_执行动作

}

void Time0Isr(void) interrupt 1

{

TH0=0xfc; //定时器重新赋初值

TL0=0x66; //每1ms溢出1次

g_bSystemTime1Ms=1; //1ms时标“标志位”置位

}

因为LED的亮或者灭依赖于LED状态变量(g_u8LedState)的改变，而状态变量的改变，又依赖于LED计数器的计数值(g_u16LedTimeCount ，只有计数值达到一定后，状态变量才改变)所以，两个函数都没有堵塞CPU的地方。让我们来从头到尾分析一遍整个程序的流程。

程序首先执行LedProcess() ;函数因为g_u8LedState 的初始值为0 (见定义，对于全局变量，在定义的时候最好给其一个确定的值)所以LED被点亮，然后退出LedStateChange()函数，执行下一个函数LedStateChange()

在函数LedStateChange()内部首先判断1MS的系统时标是否到了，如果没有到就直接退出函数，如果到了，就把时标清0以便下一个时标消息的到来，同时对LED计数器加一，然后再判断LED计数器是否到达我们预先想要的值500，如果没有，则退出函数，如果有，对计数器清0，以便下次重新计数，同时把LED状态变量取反，然后退出函数。

由上面整个流程可以知道，CPU所做的事情，就是对一些计数器加一，然后根据条件改变状态，再根据这个状态来决定是否点亮LED。这些函数执行所花的时间都是相当短的，如果主程序中还有其它函数，则CPU会顺次往下执行下去。对于其它的函数(如果有的话)也要采取同样的措施，保证其不堵塞CPU，如果全部基于这种方法设计，那么对于不是非常庞大的系统，我们的系统依旧可以保证多个任务(多个函数)同时执行。系统的实时性得到了一定的保证，从宏观上看来，就是多个任务并发执行。

好了，这一章就到此为止，让我们总结一下，究竟有哪些需要注意的吧。

(1) 无论什么时候我们都要以实际应用的角度去考虑程序的编写。

(2) 无论什么时候都不要让CPU白白浪费等待，尤其是延时(超过1MS)这样的地方。

(3) 设计相应驱动电路时候，应该仔细阅读芯片的数据手册，了解每个引脚的驱动能力，以及整个芯片的驱动能力

(4) 最重要的是，如何去释放CPU(参考本章的例子)，这是写出合格程序的基础。