C语言里如何编写精确的微量延时

广西民族大学物理与电子工程学院 白羽

众所周知，相比于其他编程语言，C语言在编写嵌入式编程中有着绝对的优势。但它总也有缺点的：它的时序性比较差，不容易编写精准的延时。而在编写嵌入系统驱动程序时，常常需要比较精确的软件延时，这使得C语言的“劣势”暴露了出来，一般都只能通过嵌入汇编的方式实现。例如，在1MHZ工作频率下需要延时10us，就需要嵌入10句“空操作”指令，显然在书写上比较难堪。本文提出一种简化书写的延时方案，使用带参数的宏构来造微小时间片，可以实现完全精确的软件延时，大大方便了驱动程序及软件模拟通信协议的编写。

说明：以下皆为ICC AVR平台下的讨论，对AVR系列所有型号的单片机皆有效。至于其他平台，可据此方案自行修改和移值。

该方案的实现方法其实很简单：

首先定义N个宏，分别调用 1 ~ N 个汇编“空操作”指令，如：

#define NOP_1 asm("nop") //延时一个时钟周期

#define NOP_2 NOP_1; asm("nop") //延时两个时钟周期

#define NOP_3 NOP_2; asm("nop") //延时三个时钟周期

#define NOP_4 NOP_3; asm("nop") //延时四个时钟周期

……

#define NOP_40 NOP_40; asm("nop") //延时40个时钟周期

然后利用“##”操作符，实现带参数宏的延时：

#define NOP(N) NOP_##N //延时 N个时钟周期

操作符的作用是把两个部分的内容连成一个内容。就是说，NOP(3)展开后成为NOP_3，NOP(4)展开后成为NOP_4，等等。因此，定义上述宏之后，就可通过调用NOP(N)语句实现精确软件延时。例如：

NOP(4)； //延时4个时钟周期

上述语句展开过程如下：

NOP_3 ; asm("nop");

NOP_2; asm("nop"); asm("nop");

NOP_1; asm("nop"); asm("nop"); asm("nop");

asm("nop"); asm("nop"); asm("nop"); asm("nop");

正好延时4个时钟周期

不过，上面的宏还不够完善，如果试图使用下面的语句，程序将会出现漏洞。

if(表达式)

NOP(3);

else

NOP(4);

这是因为NOP(N)宏展开之后，不是一个语句，而是变成N个语句。故必须用花括号括起来，程序才能运行正确。即应该改为：

if(表达式)

{

NOP(3);

}

else

{

NOP(4);

}

如果把NOP（N）宏的定义改为：

#define NOP(N) do{ NOP_##N ; }while(0)

则NOP(N)宏展开之后只形成一个语句，将不会出现上面的问题。

但是要注意，“##”操作符只能按照原样把两边的内容连在一起。故NOP（N）的参数必须是具体的常量,即只能是数字，并且，与该数字相对应的宏NOP_N已必须已经定义。

例如：

⑴如图所示，图为单片机的基本外围电路。20管脚接地，40管脚接+5V电源，为单片机工作提供电源。18及19管脚接晶振，为单片机提供时钟信号，晶振为12MHz。晶振的振荡频率越高，系统的时钟频率越高，单片机工作的速度也越高。对于液晶显示电路的设计，需要单片机有较高的工作效率，所以选择比较高频率的晶振，从而提高液晶屏幕的刷新速率，获得更加连贯、流畅的图像显示。根据需要还可以加上复位电路，复位是单片机的初始化操作。或者当单片机程序运行出错导致死锁状态的时候，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。

“NOP(3+4);”语句展开之后，将将变成“NOP_3+4;”，出现语法错误；

又如：

“NOP(a);”语句展开之后，将将变成“NOP_a;”，而“NOP_a;”未定义。

只有这样的语句才是正确的调用：

NOP(20); //延时20个时钟周期

将上述方案整理成一个头文件，以后就可以任意调用了。下面是整理好的头文件：

注意：该文件不宜作长时间的延时。长时间的延时将会调用大量的“空操作”指令，占用大量的程序指令空间。这个问题将在V2.0版本中解决。

NOP.H

/*********************************************************************

单 位：广西民族大学物理与电子工程学院

文件名称：NOP.H

文件标识：_NOP_H_

摘 要：精密延时头文件，可以精确延时40以内(包括40)的时钟周期

当前版本：V1.0

作 者：白 羽

完成日期：2010年5月9日

特别声明：您可以任意转载、复制本文件，但不能随便剔除本文件说明

*********************************************************************/

#ifndef _NOP_H_

#define _NOP_H_

#define NOP(N)

do{ NOP_##N(); }

while(0)

#define NOP_0()

#define NOP_1() asm("nop")

#define NOP_2() NOP_1();asm("nop")

#define NOP_3() NOP_2();asm("nop")

#define NOP_4() NOP_3();asm("nop")

#define NOP_5() NOP_4();asm("nop")

#define NOP_6() NOP_5();asm("nop")

#define NOP_7() NOP_6();asm("nop")

#define NOP_8() NOP_7();asm("nop")

#define NOP_9() NOP_8();asm("nop")

#define NOP_10() NOP_9();asm("nop")

#define NOP_11() NOP_10();asm("nop")

#define NOP_12() NOP_11();asm("nop")

#define NOP_13() NOP_12();asm("nop")

#define NOP_14() NOP_13();asm("nop")

#define NOP_15() NOP_14();asm("nop")

#define NOP_16() NOP_15();asm("nop")

#define NOP_17() NOP_16();asm("nop")

#define NOP_18() NOP_17();asm("nop")

#define NOP_19() NOP_18();asm("nop")

#define NOP_20() NOP_19();asm("nop")

#define NOP_21() NOP_20();asm("nop")

#define NOP_22() NOP_21();asm("nop")

#define NOP_23() NOP_22();asm("nop")

#define NOP_24() NOP_23();asm("nop")

#define NOP_25() NOP_24();asm("nop")

#define NOP_26() NOP_25();asm("nop")

#define NOP_27() NOP_26();asm("nop")

#define NOP_28() NOP_27();asm("nop")

#define NOP_29() NOP_28();asm("nop")

#define NOP_30() NOP_29();asm("nop")

#define NOP_31() NOP_30();asm("nop")

#define NOP_32() NOP_31();asm("nop")

#define NOP_33() NOP_32();asm("nop")

#define NOP_34() NOP_33();asm("nop")

#define NOP_35() NOP_34();asm("nop")

#define NOP_36() NOP_35();asm("nop")

#define NOP_37() NOP_36();asm("nop")

#define NOP_38() NOP_37();asm("nop")

#define NOP_39() NOP_38();asm("nop")

#define NOP_40() NOP_39();asm("nop")

#endif