MSP430的軟硬件C延時程序設計
發布時間：2008-1-1 11:30
發布者：
MSP430
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MSP430是超低功耗16位單片機，越來越受到電子工程師親睞并得到廣泛應用。C程序直觀，可讀性好，易于移植和維護，已被很多單片機編程人員所采用。MSP430集成開發環境(如IAR Embedded Workbench和AQ430)都集成了C編譯器和C語言級調試器C—SPY。但是C語言難以實現精確延時，這一直困擾著很多MSP430單片機程序員。筆者在實際項目開發過程中，遇到很多需要嚴格時序控制的接口器件，如單總線數字溫度傳感器DSl8820、實時時鐘芯片PCF8563(需要用普通]／o模擬12C總線時序)、三線制數字電位器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，并已實際應用，效果良好，大大縮短了開發周期。
1 硬件延時
MSP430單片機系統程序多采用事件驅動機制，即在沒有外部事件觸發的情況下CPU休眠于低功耗模式中。當外部事件到來時，產生中斷激活CPU，進入相應的中斷服務程序(ISR)中。中斷響應程序只完成兩個任務，一是置位相應事件的標志，二是使MCU退出低功耗模式。主程序負責使MCU在低功耗模式和事件處理程序之間切換，即在主程序中設一個無限循環，系統初始化以后直接進入低功耗模式。MCU被喚醒后，判斷各標志是否置位。如果是單一標志置位,那么MCU執行相應的事件處理程序，完成后轉入低功耗模式；若是有多個標志同時置位，主程序按照事先排好的消息隊列對它們依次判別并進行處理，所有事件處理完畢以后MCU休眠，系統進入低功耗狀態(該消息隊列的順序是按照任務的重要性設定的優先級)。在這種前后臺系統中，由于主程序是無限循環，就必須關閉看門狗，與其閑置，不如用其定時器的功能作硬件延時。使用MSP430單片機看門狗定時器實現任意時長精確延時，既滿足了系統實時低功耗的要求，也彌補了使用無限循環延時的時間難確定和占用CPU時間長的缺點。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
interrupt void WDT_Delay(void){
／／看門狗中斷服務程序
if((DelayTime&Delay500ms)==Delay500ms){
／／判斷需要500 ms延時的標志是否置位
static unsigned int n250MS=O；
n250MS++；
if(n250MS==2){ ／／延時250ms×2=500ms
n250MS=0； ／／清零計數器
DelayTime＆=~Delay500ms；／／復位標志位
WDTCTL=WDTHOLD+WDTPW;
1El＆=～WDTlE；／／關閉看門狗定時器并禁止其中斷
}
}
if((DelayTime＆Delay30s)==Delay30s){
／／判斷需要的30 s延時標志是否置位
static unsigned int nS=0；
nS++；
if(nS==30){ ／／延時1 s×30=30 s
nS=0； ／／清零計數器
DelayTime＆=～Delay30s；／／復位標志位
WDTCTL=WDTHOLD+WDTPW;
IEl&=～WDTlE； ／／關閉看門狗定時器并禁止其中斷
}
}
}
如果任務1需要500 ms的延時，只需在需要延時處執行如下語句：
WDTCTL=WDT_ADLY_250；
IE┃ =WDTIE； ／／①
DelayTime┃=Delay500ms ／／②
while((DelayTime＆Delay500ms)==Delay500ms)； ／／③
①處是配置看門狗工作在定時器模式，WDT每隔250 ms產生一次中斷請求。可以根據需要改變時鐘節拍，在使用32768 Hz晶振作為時鐘源時，可以產生1．9ms、16 ms、250 ms和1000 ms的延時基數。在頭文件msp430xl4x．h中，將這4種翻轉時間的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延時基數可供使用。
②處設置一個標志位，方便WDT ISR判別并進入相應的延時分支。
③處一直判別DelayTime標志組中的Delay500ms位，如果處于置位狀態，說明所需的延時未到，執行空操作，直到延時時間到，在WDTISR中將Delay500ms復位，跳出while()循環，執行下一條指令。
同理，如果任務2需要30 s延時，通過WDTCTL=WDT_ADLY_1000激活WDT中斷，每隔1 s進中斷一次，在WDT ISR中判別標志發現是Delay30s置位而不是Delay500ms執行30 s延時程序分支。每中斷一次，計數器nS加l，直到計到30，說明30 s延時完成，清零計數器，停止看門狗(WETCTL=WE)THOLD+WDTPW；)可停止產生中斷，并復位該延時標志，以通知任務延時時間到，可以執行下面的指令了。
在WDT ISR中可以根據延時基數和計數器的搭配實現任意長度的時間延時。在系統程序設計時，先確定所需的不同延時時間，然后在WDT。ISR中添加相應的延時分支即可。嵌入式實時操作系統μC／OS—II移植于MSP430單片機就是使用看門狗定時器產生時鐘節拍的。
對于系統比較簡單，只需要單一時長的延時．而又要考慮系統功耗時，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，系統進入低功耗模式3(共有5種．模式)休眠。在中斷服務程序中對延時時間累加，當達到1 s時喚醒CPU，并停止看門狗定時器中斷。實例代碼如下：
vold main(vold){
WDTCTL=WDT_ADT_ADLY_250)
／／啟動WDT,每250 ms中斷一次
IEII=WDTIE)／／使能看門狗定時器中斷
_BIS_SR(LPM3_bitS+GIE)；
／／系統休眠于低功耗模式3，開總中斷
}
#pragrna vector=WDT_VECTOR
—interrupt void WDT_Delay(void){ ／／看門狗中斷服務程序
statlc unsigned charn=4；
if(一一n==O){ ／／延時4×250 ms=1 s
—BlC_SR_IRQ(LPM3_blts)；
／／將CPU從低功耗模式3喚醒
WDTCTL=WDTHOLD+WDTPW：
IEl＆=～WDTIE；)
／／關閉看門狗定時器并禁止其中斷
}
這種方法充分發揮了MSP430系列的超低功耗特性，在等待延時的過程中，CPU不需要一直判斷標志位以得知延時結束，而是進入省電模式。等待過程中，只有極短的時間會在中斷服務程序中累計時間并進行判斷。可以根據需要設置CPU進入不同的低功耗模式LPMx。如果系統使用了多種外設中斷，并在其他中斷服務程序中也有
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，因為頻繁的進出中斷會使CPU用大量時間來響應中斷和執行中斷返回等操作。硬件延時的方法適用于ms級以上的長時間延時。
2 軟件延時
在對數字溫度傳感器DS18820的操作中，用到的延時有：15 μs、90μs、270 μs、540 μs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行時間，每段宏的執行時間及每段子程序加調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。
循環結構延時：延時時間等于指令執行時間與指令循環次數的乘積，舉例來講，對如下延時程序進行實驗分析。
void delay(unsigned int time){
while(time一一){}；
在main()中調用延時函數delayr(n)；得到的延時時間是多少，需要在MSP430單片機的集成編譯環境IAR Em—bedded Wclrkbeneh IDE 3．10A中編制測試。
使用C430寫好一段可執行代碼，在其中加入延時函數，并在主函數中調用，以delay(1OO)為例。設置工程選項Options，在Debugger欄中將Drivet選為Simulator，進行軟件仿真。在仿真環境C—SPY Debugger中，從菜單View中調出Disassembly和Register窗口，前者顯示編程軟件根據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，觀察指令周期計數器CYCLE—COUNTER�？梢钥吹�，delay()編譯得到如下代碼段：
delav：
001112 OF4C mov．w R12，R15
OOlll4 0C4F mov．w R15．R12
001116 3C53 add．w #0xFFFF．R12
001118 0F93 tst．w R15
00111A FB23 jne deIay
單步執行，觀察CYCI正COUNTER，發現每執行一條指令，CYCLECOUNTER的值加1，說明這5條指令各占用1個指令周期，循環體while()每執行一次需要5個指令周期，加上函數調用和函數返回各占用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。延時函數因循環語句和編譯器的不同，執行時間也有所不同，依照上述方法具體分析，可以達到靈活編程的目的。
MSP430的指令執行速度即指令所用的周期數，這里的時鐘周期指主系統時鐘MCLK的周期。單片機上電后，如果不對時鐘系統進行設置，默認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，所以默認的指令周期就是1／800 kHz=1．25μs。要得到lμs的指令周期需要調整DCO頻率，即MCLK=1 MHz，只需進行如下設置：BCSCTLl=XT20FF+RSEL2；
／／關閉XT2振蕩器，設定DCO頻率為1 MHz
DCOCTL=DCO2
／／使得單指令周期為lμs
并不是說MSP430單片機軟件延時最小的延時基準是lμs，當開啟XT2=8 MHz高頻振蕩器，指令周期可以達到125 ns。MSP430F4XX系列的單片機由于采用了增強型鎖頻環技術FLL+，可以將DCO頻率倍增到40MHz，從而得到最快25 ns的指令周期。
調用延時函數的方法適合于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現�？墒褂煤甓x實現需要的延時，如要延時3 μs，則：
#define DELAY5US{_NOP();_NOP()；_NOP()；}
結語
本文提出的基于MSP430片內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準確的延時時間，大大提高了軟件延時精確度和程序調試效率，并在多種芯片接口程序中應用，運行效果良好。
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