单片机中的 _nop_() 延时以及其相关的基础扩展

使用 _nop_() 函数做延时遇到的一些问题 以及对此延伸出的一些需要了解的基本概念 ...... by  矜辰所致
完善文章内容结构，补充指令周期、机器周期等一些基本概念             2023/10/25

前言

最近还是继续做着项目，因为在某 8051 内核芯片上使用到了 I2C 通讯，又需要 _nop_() 函数来实现 us 延时，那么正好来写一篇由_nop_() 函数引起的一系列基本概念。

本文的内容包括：对 nop 的认识，单片机中的 nop 函数做延时的一些注意事项，以及单片机中基本的指令周期，机器周期等一些基本概念的说明。

我是矜辰所致，全网同名，尽量用心写好每一系列文章，不浮夸，不将就，认真对待学知识的我们，矜辰所致，金石为开！

前言
一、 NOP 指令
- 1.1 NOP 指令的作用
二、单片机中的 `_nop_()` 函数
- 2.1 C语言中的 NOP
- 2.2 _nop_ 函数消耗的时间
三、用 `_nop_()` 延时的注意事项
- 3.1 函数调用对延时的影响
- 3.2 调用函数中的语句对延时的影响
- - 3.2.1 单片机执行一条指令所需要的时间
四、指令周期、机器周期、时钟周期
结语

一、 NOP 指令

_nop_() 函数产生的是 NOP 指令，先来简单介绍一下 NOP 指令，基本介绍走个流程把：

NOP 是编程语言中一个经常用到的指令，它的全称是 No Operation，即无操作指令。

NOP 是汇编语言中的一个伪指令，通过NOP一系列的编程语句，能够不改变任何程序可以访问的寄存器。

1.1 NOP 指令的作用

我们知道，指令、数据对齐可以有效地提高程序的性能，使用 NOP 指令，可以使得指令按字对齐，从而提高效率。
比如一条指令占用 3 个字节，再加上一个 NOP 指令，就使得指令 4 字节对齐了。
通过 NOP 指令产生一定的延迟，这与 CPU 的频率有关系，适用于一些频率低的单片机场合。
计算机在输入或者输出的过程中，使用 NOP 指令可可以很好的等待计算机缓冲区清空，等待总线恢复正常，其实也算是延时的一种了

二、单片机中的 `_nop_()` 函数

2.1 C语言中的 NOP

如果使用汇编语言，我们可以直接使用 NOP 指令的，直接写一个 nop 就可以，比如下面示例：

        .text                   ; 代码段开始.syntax unified         ; start:mov r0, #0x55          ; 将0x55存储在寄存器R0中nop                    ; 插入NOP指令mov r1, #0xAA          ; 将0xAA存储在寄存器R1中add r2, r0, r1         ; 将R0和R1相加并将结果存储在R2中

但是我们在单片机中编程，现在都是使用 C 语言，对于 C 语言本身来说，是没有空语句的。

但是我们在做51单片机的开发中，在库文件中提供了一个void _nop_(void);函数，这个函数声明一般在 intrins.h 头文件当中，我们只需要 #include <intrins.h> 就可以使用 _nop_(); 函数了。

比如：
在这里插入图片描述

我们已经知道了 nop 是空语句，什么都不做，但是在这里我们还是得明确的知道一个 _nop_()表示空循环一个机器指令的时间。

2.2 nop 函数消耗的时间

那么在我们的单片机中，一个 nop 的时间是多少呢？、

上面说到，一个 nop 表示一个机器周期，那么一个机器周期是多少？

机器周期当然与主频有关，在单片机中指的就是晶振的频率。

首先基本的东西还是要知道的一个机器周期包含12个晶振周期。所以我们可以通过下面的计算得知 nop 函数消耗的时间：

假设单片机 12M 晶振，晶振周期1/12微秒，一个机器周期包含12个晶振周期，所以12M晶振时机器周期 = 12x(1/12)us = 1us 。
.
所以12M 晶振中一个 nop 表示延时1us；
6M 晶振中延时2us,24M 晶振中延时 0.5 us

至于其他的晶振频率，我们可以按照上面的计算代入即可。

对于 _nop_() 函数其实在我以前的文章 BH1750 传感器实战教学 —— 驱动移植篇中有过说明：

在这里插入图片描述

三、用 `_nop_()` 延时的注意事项

到此，我们已经可以知道在我们的程序中，一个 nop 函数执行所需要时间，我们可以利用多个 _nop_() 函数来实现一些 us 级别的延时。

比如我以前一些帖子里面提到的在 51 上面的 I2C 通讯：

在这里插入图片描述

在上图中，就是一个简单的 I2C 其实信号的实现方式，在上图中，有说明多几个 nop 少几个 nop 无所谓，实际上现在看来是有问题的，这让我付出了代价，这一点我后面会在写某个传感器测试博文的时候会提到。

3.1 函数调用对延时的影响

那么本文这里要说明的是一些使用时候的问题，依然是我以前文中提到的，在 STM32 HAL 库中没有 us 延时，所以我一直用的是：

void delay_us(uint32_t Delay)
{uint32_t cnt = Delay * 8;   // 32Mhz ,其他频率其他倍数uint32_t i = 0;for(i = 0; i < cnt; i++)__NOP();
}

于是乎，对于本次使用的 16MHZ 晶振的 51 芯片，我改成了如下：

void delay_us(uint32 Delay)
{uint32 cnt = Delay * 4;   // 32Mhz 8 ,其他频率其他倍数  	  16Mhz慢一点  4uint32 i = 0;for(i = 0; i < cnt; i++)_nop_();
}

然后自然的把上面的 I2C_Start 改成如下：

void I2C_Start1(void)
{sda_high();delay_us(5);scl_high();delay_us(10);sda_low();delay_us(10);scl_low(); //使SCL置低，准备发送或者接受数据delay_us(10);
}

反正改完以后传感器通讯是不正确的，于是乎最后上了示波器，惊讶的发现，在我使用的 51 上面采用上面的方式的波形图如下（注意看波形的时间）：

在这里插入图片描述

是不是很意外，时间周期居然可以达到 ms 级别，就是使用一个一个循环调用 nop 的函数……，我一个 I2C 传感器的初始化工作，居然持续了好几秒时间……

而在 STM32 平台下面，我观察到的波形图如下（us级别算是正常的）：

在这里插入图片描述

虽然知道调用函数会占用时间，但是上面的情况也太离谱了点，即便我最后把循环里面的 *4 都直接删除，波形周期还是 ms 级别。

这…… 真的是有点太离谱了，一个简单的 nop 延时函数在实际上会有这么久的延时……

反正最后我还是去掉了函数，采用直接使用很多个 nop 函数直接写的方式，如下图的上面部分：

在这里插入图片描述

实际上，除了调用函数，在函数中的使用什么语法也决定了这个函数执行的时间长短，这个问题对于我们现在大家常用的 ARM 内核来说，可能都不太容易发现，或者影响没那么大，但是对于老一点的 51 内核，影响就大了，但是大到上面这种程度，也是我没想到的。

3.2 调用函数中的语句对延时的影响

那说到除了调用函数，函数中的语句是如何影响时间的呢，这因为在C51编译器中，对不同的循环方法，采用不同的指令来完成的，对于不同的指令，单片机执行所需要的的时间也是不一样的。

3.2.1 单片机执行一条指令所需要的时间

完成一条指令需要的时间，也就是指令周期。

指令周期就是单片机取出一条指令并执行这条指令所需要的时间。指令周期，是从取指令、分析指令到执行完所需的全部时间。

指令周期一般由若干个机器周期组成（我们上面讲过，一个 _nop_() 就是一个机器周期），他是以机器周期为单位的！！！

其实通过我们前文的介绍，我们已经知道如何算一个单片机的机器周期（一个 nop 的时间，他是由 12 个时钟周期组成的），我们只需要知道这条指令是由几个机器周期组成的就可以，这一点会在单片机的使用手册中有说明，比如下图：

在这里插入图片描述

上图中上面一些指令需要 12 个时钟周期，就是一个机器周期，最后一个需要 2个机器周期。

大家都能看到其实后面有一个 6T 模式的说明，很容易理解，就是1机器周期等于 6 个时钟周期的模式，这样会使得单片机执行效率提升 2 倍，现代单片机有许多都有这种高效率模式。

了解完了指令周期，那我们是不是很容易的就明白了，在函数中为什么不同的语句会对延时产生不同影响了。

这里呢，我就不对不同的语句进行单独的分析了，大家有时间可以自己生成汇编文件自己研究，这里我就从网上截取了部分说明：

在选择C51中循环语句时，要注意以下几个问题
.
第一、定义的 C51 中循环变量，尽量采用无符号字符型变量。
.
第二、在 for 循环语句中，尽量采用变量减减来做循环。
.
第三、在do…while，while语句中，循环体内变量也采用减减方法。

我们要知道的是，上面的做法都是为了减少额外的时间开销，使得我们想要的延时时间更加准确。

四、指令周期、机器周期、时钟周期

在文章上面部分由反复的提到过几个概念：指令周期，机器周期，时钟周期。

为了防止有的小伙伴还是迷迷糊糊的，这里来简单的总结一下（以 8051 单片机为例）：

时钟周期 = 1/ 晶振频率
单片机的心跳，基本时间单位
.
机器周期 = 时钟周期 * 12
单片机的基本操作周期，一个机器周期，单片机完成一项基本操作，如取指令，读/写存储器
.
指令周期：
CPU 执行一条指令所需要的时间，以机器周期为单位。
指令周期所需要的的机器周期，可以通过单片机使用手册中的指令表查询得到。

当然，其实与上面这些概念相关的还有一个状态周期，他等于 2个时钟周期，这里也提一下。