MSP430單片機(jī)的軟硬件C延時程序設(shè)計
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可讀性好,易于移植和維護(hù),已被很多單片機(jī)編程人員所采用。MSP430集成開發(fā)環(huán)境(如
IAR Embedded Workbench和AQ430)都集成了C編譯器和C語言級調(diào)試器C-SPY。但是C
語言難以實(shí)現(xiàn)精確延時,這一直困擾著很多MSP430
單片機(jī)程序員。筆者在實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)過程中,遇到很多需要嚴(yán)格時序控制的接口器件,
如單總線數(shù)字溫度傳感器DSl8820、實(shí)時時鐘芯片PCF8563(需要用普通]／o模擬12C
總線時序)、三線制數(shù)字電位器AD8402、CF卡(Compact Flash Card)等都需要μs級甚至納
ns級精確延時;而一些慢速設(shè)備只需要ms到s級的延時。為此,
筆者提出了適合于不同延時級別需要的軟件或硬件精確延時方法,并已實(shí)際應(yīng)用,效果良好
,大大縮短了開發(fā)周期。
1
休眠于低功耗模式中。當(dāng)外部事件到來時,產(chǎn)生中斷激活CPU,進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序(
ISR)中。中斷響應(yīng)程序只完成兩個任務(wù),一是置位相應(yīng)事件的標(biāo)志,二是使MCU
退出低功耗模式。主程序負(fù)責(zé)使MCU在低功耗模式和事件處理程序之間切換,
即在主程序中設(shè)一個無限循環(huán),系統(tǒng)初始化以后直接進(jìn)入低功耗模式。MCU被喚醒后,
判斷各標(biāo)志是否置位。如果是單一標(biāo)志置位,那么MCU執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程序,
完成后轉(zhuǎn)入低功耗模式;若是有多個標(biāo)志同時置位,
主程序按照事先排好的消息隊(duì)列對它們依次判別并進(jìn)行處理,所有事件處理完畢以后MCU
休眠,系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)(該消息隊(duì)列的順序是按照任務(wù)的重要性設(shè)定的優(yōu)先級)
。在這種前后臺系統(tǒng)中,由于主程序是無限循環(huán),就必須關(guān)閉看門狗,與其閑置,
不如用其定時器的功能作硬件延時。使用MSP430
單片機(jī)看門狗定時器實(shí)現(xiàn)任意時長精確延時,既滿足了系統(tǒng)實(shí)時低功耗的要求,
也彌補(bǔ)了使用無限循環(huán)延時的時間難確定和占用CPU時間長的缺點(diǎn)。通過下例,講解在同一
WDT ISR中完成不同時長延時的技巧。
#pragma vector=WD_r_VECTOR
}
如果任務(wù)1需要500 ms的延時,只需在需要延時處執(zhí)行如下語句：
產(chǎn)生一次中斷請求?？梢愿鶕?jù)需要改變時鐘節(jié)拍,在使用32768 Hz晶振作為時鐘源時,
可以產(chǎn)生1．9ms、16 ms、250 ms和1000 ms的延時基數(shù)。在頭文件msp430xl4x．h中,將這
4種翻轉(zhuǎn)時間的WDT配置宏定義為：WDT_ADLY_1_9、WDT_ADLY_16、WDT_ADLY_250和
WDT_ADLY_1000。如果用DCOCLK作為SMCLK的時鐘源,WDT選擇SMCLK=1 MHz為時鐘源,
這樣可以有O．064 ms、0．5 ms、8 ms和32 ms延時基數(shù)可供使用。
③處一直判別DelayTime標(biāo)志組中的Delay500ms位,如果處于置位狀態(tài),
說明所需的延時未到,執(zhí)行空操作,直到延時時間到,在WDTISR中將Delay500ms復(fù)位,跳出
while()循環(huán),執(zhí)行下一條指令。
同理,如果任務(wù)2需要30 s延時,通過WDTCTL=WDT_ADLY_1000激活WDT中斷,每隔1 s
進(jìn)中斷一次,在WDT ISR中判別標(biāo)志發(fā)現(xiàn)是Delay30s置位而不是Delay500ms執(zhí)行30 s
延時程序分支。每中斷一次,計數(shù)器nS加l,直到計到30,說明30 s延時完成,清零計數(shù)器,
停止看門狗(WETCTL=WE)THOLD+WDTPW;)可停止產(chǎn)生中斷,并復(fù)位該延時標(biāo)志,
以通知任務(wù)延時時間到,可以執(zhí)行下面的指令了。
在WDT ISR
中可以根據(jù)延時基數(shù)和計數(shù)器的搭配實(shí)現(xiàn)任意長度的時間延時。在系統(tǒng)程序設(shè)計時,
先確定所需的不同延時時間,然后在WDT。ISR
中添加相應(yīng)的延時分支即可。嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)μC／OS-II移植于MSP430
單片機(jī)就是使用看門狗定時器產(chǎn)生時鐘節(jié)拍的。
對于系統(tǒng)比較簡單,只需要單一時長的延時．而又要考慮系統(tǒng)功耗時,
介紹另一種使用看門狗定時器中斷完成延時的方法。若要延時1 s,則設(shè)定WDT每250 ms
中斷一次。在需要延時處,啟動看門狗定時器并允許其中斷,系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式3(共有5
種．模式)休眠。在中斷服務(wù)程序中對延時時間累加,當(dāng)達(dá)到1 s時喚醒CPU,
并停止看門狗定時器中斷。實(shí)例代碼如下：
void main(void)
}
#pragrna vector=WDT_VECTOR
__interrupt void WDT_Delay(void)
{
IEl＆=～WDTIE;)
}
這種方法充分發(fā)揮了MSP430系列的超低功耗特性,在等待延時的過程中,CPU
不需要一直判斷標(biāo)志位以得知延時結(jié)束,而是進(jìn)入省電模式。等待過程中,
只有極短的時間會在中斷服務(wù)程序中累計時間并進(jìn)行判斷?？梢愿鶕?jù)需要設(shè)置CPU
進(jìn)入不同的低功耗模式LPMx。如果系統(tǒng)使用了多種外設(shè)中斷,
并在其他中斷服務(wù)程序中也有喚醒CPU的語句,這種方法便不再適用了。
μs級延時不宜使用硬件延時,因?yàn)轭l繁的進(jìn)出中斷會使CPU
用大量時間來響應(yīng)中斷和執(zhí)行中斷返回等操作。硬件延時的方法適用于ms
級以上的長時間延時。
2
在對數(shù)字溫度傳感器DS18820的操作中,用到的延時有：15 μs、90μs、270 μs、540 μ
s等。這些延時短暫,占用CPU時間不是太多,
所以比較適合軟件延時的方法。通過匯編語言編寫的程序,很容易控制時間,
我們知道每條語句的執(zhí)行時間,
每段宏的執(zhí)行時間及每段子程序加調(diào)用的語句所消耗的時間。因此,要用C
語言編制出較為精確的延時程序,就必須研究該段C程序生成的匯編代碼。
循環(huán)結(jié)構(gòu)延時：延時時間等于指令執(zhí)行時間與指令循環(huán)次數(shù)的乘積,舉例來講,
對如下延時程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。
while(time一一){};
在main()中調(diào)用延時函數(shù)delayr(n);得到的延時時間是多少,需要在MSP430
單片機(jī)的集成編譯環(huán)境IAR Em-bedded Wclrkbeneh IDE 3．10A中編制測試。
使用C430寫好一段可執(zhí)行代碼,在其中加入延時函數(shù),并在主函數(shù)中調(diào)用,以delay(1OO)
為例。設(shè)置工程選項(xiàng)Options,在Debugger欄中將Drivet選為Simulator,
進(jìn)行軟件仿真。在仿真環(huán)境C-SPY Debugger中,從菜單View中調(diào)出Disassembly和Register
窗口,前者顯示編程軟件根據(jù)C語言程序編譯生成的匯編程序,在后者窗口中打開CPU
Register子窗體,觀察指令周期計數(shù)器CYCLE-COUNTER?？梢钥吹?delay()
編譯得到如下代碼段：
00111A
單步執(zhí)行,觀察CYCI正COUNTER,發(fā)現(xiàn)每執(zhí)行一條指令,CYCLECOUNTER的值加1,說明這5
條指令各占用1個指令周期,循環(huán)體while()每執(zhí)行一次需要5個指令周期,
加上函數(shù)調(diào)用和函數(shù)返回各占用3個指令周期,delay(100)延時了5×100+6-506
個指令周期。只要知道指令周期,
就能容易的計算出延時時長了。延時函數(shù)因循環(huán)語句和編譯器的不同,
執(zhí)行時間也有所不同,依照上述方法具體分析,可以達(dá)到靈活編程的目的。
MSP430的指令執(zhí)行速度即指令所用的周期數(shù),這里的時鐘周期指主系統(tǒng)時鐘MCLK
的周期。單片機(jī)上電后,如果不對時鐘系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置,默認(rèn)800 kHz的DCOCLK為MCLK和SMCLK
的時鐘源,LFXTl接32768 Hz晶體,工作在低頻模式(XTS=O)作為ACLK的時鐘源。CPU
的指令周期由MCLK決定,所以默認(rèn)的指令周期就是1／800 kHz=1．25μs。要得到lμs
的指令周期需要調(diào)整DCO頻率,即MCLK=1 MHz,只需進(jìn)行如下設(shè)置：BCSCTLl=XT20FF+RSEL2;
//使得單指令周期為lμs
并不是說MSP430單片機(jī)軟件延時最小的延時基準(zhǔn)是lμs,當(dāng)開啟XT2=8 MHz高頻振蕩器,
指令周期可以達(dá)到125 ns。MSP430F4XX系列的單片機(jī)由于采用了增強(qiáng)型鎖頻環(huán)技術(shù)FLL+,
可以將DCO頻率倍增到40MHz,從而得到最快25 ns的指令周期。
調(diào)用延時函數(shù)的方法適合于100 μs～1 ms之間的延時,100μs
以下的短延時最好通過空操作語句_NoP()
或其任意個組合來實(shí)現(xiàn)?？墒褂煤甓x實(shí)現(xiàn)需要的延時,如要延時3 μs,則： #define
DELAY5US{_NOP();_NOP();_NOP();}
結(jié)語
片內(nèi)看門狗定時器的硬件延時方案和軟件延時方法滿足了不同時寬級別的延時需求,
尤其軟件延時,采用匯編程序分析法得到了延時函數(shù)準(zhǔn)確的延時時間,
大大提高了軟件延時精確度和程序調(diào)試效率,并在多種芯片接口程序中應(yīng)用,
運(yùn)行效果良好。
IAR Embedded Workbench和AQ430)都集成了C編譯器和C語言級調(diào)試器C-SPY。但是C
語言難以實(shí)現(xiàn)精確延時,這一直困擾著很多MSP430
單片機(jī)程序員。筆者在實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)過程中,遇到很多需要嚴(yán)格時序控制的接口器件,
如單總線數(shù)字溫度傳感器DSl8820、實(shí)時時鐘芯片PCF8563(需要用普通]／o模擬12C
總線時序)、三線制數(shù)字電位器AD8402、CF卡(Compact Flash Card)等都需要μs級甚至納
ns級精確延時;而一些慢速設(shè)備只需要ms到s級的延時。為此,
筆者提出了適合于不同延時級別需要的軟件或硬件精確延時方法,并已實(shí)際應(yīng)用,效果良好
,大大縮短了開發(fā)周期。
1
休眠于低功耗模式中。當(dāng)外部事件到來時,產(chǎn)生中斷激活CPU,進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序(
ISR)中。中斷響應(yīng)程序只完成兩個任務(wù),一是置位相應(yīng)事件的標(biāo)志,二是使MCU
退出低功耗模式。主程序負(fù)責(zé)使MCU在低功耗模式和事件處理程序之間切換,
即在主程序中設(shè)一個無限循環(huán),系統(tǒng)初始化以后直接進(jìn)入低功耗模式。MCU被喚醒后,
判斷各標(biāo)志是否置位。如果是單一標(biāo)志置位,那么MCU執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程序,
完成后轉(zhuǎn)入低功耗模式;若是有多個標(biāo)志同時置位,
主程序按照事先排好的消息隊(duì)列對它們依次判別并進(jìn)行處理,所有事件處理完畢以后MCU
休眠,系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)(該消息隊(duì)列的順序是按照任務(wù)的重要性設(shè)定的優(yōu)先級)
。在這種前后臺系統(tǒng)中,由于主程序是無限循環(huán),就必須關(guān)閉看門狗,與其閑置,
不如用其定時器的功能作硬件延時。使用MSP430
單片機(jī)看門狗定時器實(shí)現(xiàn)任意時長精確延時,既滿足了系統(tǒng)實(shí)時低功耗的要求,
也彌補(bǔ)了使用無限循環(huán)延時的時間難確定和占用CPU時間長的缺點(diǎn)。通過下例,講解在同一
WDT ISR中完成不同時長延時的技巧。
#pragma vector=WD_r_VECTOR
}
如果任務(wù)1需要500 ms的延時,只需在需要延時處執(zhí)行如下語句：
產(chǎn)生一次中斷請求?？梢愿鶕?jù)需要改變時鐘節(jié)拍,在使用32768 Hz晶振作為時鐘源時,
可以產(chǎn)生1．9ms、16 ms、250 ms和1000 ms的延時基數(shù)。在頭文件msp430xl4x．h中,將這
4種翻轉(zhuǎn)時間的WDT配置宏定義為：WDT_ADLY_1_9、WDT_ADLY_16、WDT_ADLY_250和
WDT_ADLY_1000。如果用DCOCLK作為SMCLK的時鐘源,WDT選擇SMCLK=1 MHz為時鐘源,
這樣可以有O．064 ms、0．5 ms、8 ms和32 ms延時基數(shù)可供使用。
③處一直判別DelayTime標(biāo)志組中的Delay500ms位,如果處于置位狀態(tài),
說明所需的延時未到,執(zhí)行空操作,直到延時時間到,在WDTISR中將Delay500ms復(fù)位,跳出
while()循環(huán),執(zhí)行下一條指令。
同理,如果任務(wù)2需要30 s延時,通過WDTCTL=WDT_ADLY_1000激活WDT中斷,每隔1 s
進(jìn)中斷一次,在WDT ISR中判別標(biāo)志發(fā)現(xiàn)是Delay30s置位而不是Delay500ms執(zhí)行30 s
延時程序分支。每中斷一次,計數(shù)器nS加l,直到計到30,說明30 s延時完成,清零計數(shù)器,
停止看門狗(WETCTL=WE)THOLD+WDTPW;)可停止產(chǎn)生中斷,并復(fù)位該延時標(biāo)志,
以通知任務(wù)延時時間到,可以執(zhí)行下面的指令了。
在WDT ISR
中可以根據(jù)延時基數(shù)和計數(shù)器的搭配實(shí)現(xiàn)任意長度的時間延時。在系統(tǒng)程序設(shè)計時,
先確定所需的不同延時時間,然后在WDT。ISR
中添加相應(yīng)的延時分支即可。嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)μC／OS-II移植于MSP430
單片機(jī)就是使用看門狗定時器產(chǎn)生時鐘節(jié)拍的。
對于系統(tǒng)比較簡單,只需要單一時長的延時．而又要考慮系統(tǒng)功耗時,
介紹另一種使用看門狗定時器中斷完成延時的方法。若要延時1 s,則設(shè)定WDT每250 ms
中斷一次。在需要延時處,啟動看門狗定時器并允許其中斷,系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式3(共有5
種．模式)休眠。在中斷服務(wù)程序中對延時時間累加,當(dāng)達(dá)到1 s時喚醒CPU,
并停止看門狗定時器中斷。實(shí)例代碼如下：
void main(void)
}
#pragrna vector=WDT_VECTOR
__interrupt void WDT_Delay(void)
{
IEl＆=～WDTIE;)
}
這種方法充分發(fā)揮了MSP430系列的超低功耗特性,在等待延時的過程中,CPU
不需要一直判斷標(biāo)志位以得知延時結(jié)束,而是進(jìn)入省電模式。等待過程中,
只有極短的時間會在中斷服務(wù)程序中累計時間并進(jìn)行判斷?？梢愿鶕?jù)需要設(shè)置CPU
進(jìn)入不同的低功耗模式LPMx。如果系統(tǒng)使用了多種外設(shè)中斷,
并在其他中斷服務(wù)程序中也有喚醒CPU的語句,這種方法便不再適用了。
μs級延時不宜使用硬件延時,因?yàn)轭l繁的進(jìn)出中斷會使CPU
用大量時間來響應(yīng)中斷和執(zhí)行中斷返回等操作。硬件延時的方法適用于ms
級以上的長時間延時。
2
在對數(shù)字溫度傳感器DS18820的操作中,用到的延時有：15 μs、90μs、270 μs、540 μ
s等。這些延時短暫,占用CPU時間不是太多,
所以比較適合軟件延時的方法。通過匯編語言編寫的程序,很容易控制時間,
我們知道每條語句的執(zhí)行時間,
每段宏的執(zhí)行時間及每段子程序加調(diào)用的語句所消耗的時間。因此,要用C
語言編制出較為精確的延時程序,就必須研究該段C程序生成的匯編代碼。
循環(huán)結(jié)構(gòu)延時：延時時間等于指令執(zhí)行時間與指令循環(huán)次數(shù)的乘積,舉例來講,
對如下延時程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。
while(time一一){};
在main()中調(diào)用延時函數(shù)delayr(n);得到的延時時間是多少,需要在MSP430
單片機(jī)的集成編譯環(huán)境IAR Em-bedded Wclrkbeneh IDE 3．10A中編制測試。
使用C430寫好一段可執(zhí)行代碼,在其中加入延時函數(shù),并在主函數(shù)中調(diào)用,以delay(1OO)
為例。設(shè)置工程選項(xiàng)Options,在Debugger欄中將Drivet選為Simulator,
進(jìn)行軟件仿真。在仿真環(huán)境C-SPY Debugger中,從菜單View中調(diào)出Disassembly和Register
窗口,前者顯示編程軟件根據(jù)C語言程序編譯生成的匯編程序,在后者窗口中打開CPU
Register子窗體,觀察指令周期計數(shù)器CYCLE-COUNTER?？梢钥吹?delay()
編譯得到如下代碼段：
00111A
單步執(zhí)行,觀察CYCI正COUNTER,發(fā)現(xiàn)每執(zhí)行一條指令,CYCLECOUNTER的值加1,說明這5
條指令各占用1個指令周期,循環(huán)體while()每執(zhí)行一次需要5個指令周期,
加上函數(shù)調(diào)用和函數(shù)返回各占用3個指令周期,delay(100)延時了5×100+6-506
個指令周期。只要知道指令周期,
就能容易的計算出延時時長了。延時函數(shù)因循環(huán)語句和編譯器的不同,
執(zhí)行時間也有所不同,依照上述方法具體分析,可以達(dá)到靈活編程的目的。
MSP430的指令執(zhí)行速度即指令所用的周期數(shù),這里的時鐘周期指主系統(tǒng)時鐘MCLK
的周期。單片機(jī)上電后,如果不對時鐘系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置,默認(rèn)800 kHz的DCOCLK為MCLK和SMCLK
的時鐘源,LFXTl接32768 Hz晶體,工作在低頻模式(XTS=O)作為ACLK的時鐘源。CPU
的指令周期由MCLK決定,所以默認(rèn)的指令周期就是1／800 kHz=1．25μs。要得到lμs
的指令周期需要調(diào)整DCO頻率,即MCLK=1 MHz,只需進(jìn)行如下設(shè)置：BCSCTLl=XT20FF+RSEL2;
//使得單指令周期為lμs
并不是說MSP430單片機(jī)軟件延時最小的延時基準(zhǔn)是lμs,當(dāng)開啟XT2=8 MHz高頻振蕩器,
指令周期可以達(dá)到125 ns。MSP430F4XX系列的單片機(jī)由于采用了增強(qiáng)型鎖頻環(huán)技術(shù)FLL+,
可以將DCO頻率倍增到40MHz,從而得到最快25 ns的指令周期。
調(diào)用延時函數(shù)的方法適合于100 μs～1 ms之間的延時,100μs
以下的短延時最好通過空操作語句_NoP()
或其任意個組合來實(shí)現(xiàn)?？墒褂煤甓x實(shí)現(xiàn)需要的延時,如要延時3 μs,則： #define
DELAY5US{_NOP();_NOP();_NOP();}
結(jié)語
片內(nèi)看門狗定時器的硬件延時方案和軟件延時方法滿足了不同時寬級別的延時需求,
尤其軟件延時,采用匯編程序分析法得到了延時函數(shù)準(zhǔn)確的延時時間,
大大提高了軟件延時精確度和程序調(diào)試效率,并在多種芯片接口程序中應(yīng)用,
運(yùn)行效果良好。
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