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上海正伟MSP430的软硬件C延时程序设计

作者：上海正伟作者单位：上海正伟数字技术有限公司 2009年9月29日

    MSP430是超低功耗16位单片机，越来越受到电子工程师亲睐并得到广泛应用。因此，上海正伟就此解析MSP430的软硬件C延时程序设计，C程序直观，可读性好，易于移植和维护，已被很多单片机编程人员所采用。MSP430集成开发环境(如IAR Embedded Workbench和AQ430)都集成了C编译器和C语言级调试器C—SPY。但是C语言难以实现精确延时，这一直困扰着很多MSP430单片机程序员。笔者在实际项目开发过程中，遇到很多需要严格时序控制的接口器件，如单总线数字温度传感器DSl8820、实时时钟芯片PCF8563(需要用普通]／o模拟12C总线时序)、三线制数字电位器AD8402、CF卡(Compact Flash Card)等都需要μs级甚至纳ns级精确延时；而一些慢速设备只需要ms到s级的延时。为此，笔者提出了适合于不同延时级别需要的软件或硬件精确延时方法，并已实际应用，效果良好，大大缩短了开发周期。　

    1 . 硬件延时,

    　　MSP430单片机系统程序多采用事件驱动机制，即在没有外部事件触发的情况下CPU休眠于低功耗模式中。当外部事件到来时，产生中断激活CPU，进入相应的中断服务程序(ISR)中。中断响应程序只完成两个任务，一是置位相应事件的标志，二是使MCU退出低功耗模式。主程序负责使MCU在低功耗模式和事件处理程序之间切换，即在主程序中设一个无限循环，系统初始化以后直接进入低功耗模式。MCU被唤醒后，判断各标志是否置位。如果是单一标志置位,那么MCU执行相应的事件处理程序，完成后转入低功耗模式；若是有多个标志同时置位，主程序按照事先排好的消息队列对它们依次判别并进行处理，所有事件处理完毕以后MCU休眠，系统进入低功耗状态(该消息队列的顺序是按照任务的重要性设定的优先级)。在这种前后台系统中，由于主程序是无限循环，就必须关闭看门狗，与其闲置，不如用其定时器的功能作硬件延时。使用MSP430单片机看门狗定时器实现任意时长精确延时，既满足了系统实时低功耗的要求，也弥补了使用无限循环延时的时间难确定和占用CPU时间长的缺点。通过下例，讲解在同一WDT ISR中完成不同时长延时的技巧。
    #pragma vector=WD_r_VECTOR
    interrupt void WDT_Delay(void){
    ／／看门狗中断服务程序
    if((DelayTime&Delay500ms)==Delay500ms){
    ／／判断需要500 ms延时的标志是否置位
    static unsigned int n250MS=O；
    n250MS++；
    if(n250MS==2){ ／／延时250ms×2=500ms
    n250MS=0；／／清零计数器
    DelayTime＆=~Delay500ms；／／复位标志位
    WDTCTL=WDTHOLD+WDTPW;
    1El＆=～WDTlE；／／关闭看门狗定时器并禁止其中断
    }
    }
    if((DelayTime＆Delay30s)==Delay30s){
    ／／判断需要的30 s延时标志是否置位
    static unsigned int nS=0；
    nS++；
    if(nS==30){ ／／延时1 s×30=30 s
    nS=0；／／清零计数器
    DelayTime＆=～Delay30s；／／复位标志位
    WDTCTL=WDTHOLD+WDTPW;
    IEl&=～WDTlE；／／关闭看门狗定时器并禁止其中断
    }
    }
    }
    如果任务1需要500 ms的延时，只需在需要延时处执行如下语句：
    WDTCTL=WDT_ADLY_250；
    IE┃ =WDTIE；／／①
    DelayTime┃=Delay500ms ／／②
    while((DelayTime＆Delay500ms)==Delay500ms)；／／③
    ①处是配置看门狗工作在定时器模式，WDT每隔250 ms产生一次中断请求。可以根据需要改变时钟节拍，在使用32768 Hz晶振作为时钟源时，可以产生1．9ms、16 ms、250 ms和1000 ms的延时基数。在头文件msp430xl4x．h中，将这4种翻转时间的WDT配置宏定义为：WDT_ADLY_1_9、WDT_ADLY_16、WDT_ADLY_250和WDT_ADLY_1000。如果用DCOCLK作为SMCLK的时钟源，WDT选择SMCLK=1 MHz为时钟源，这样可以有O．064 ms、0．5 ms、8 ms和32 ms延时基数可供使用。
    ②处设置一个标志位，方便WDT ISR判别并进入相应的延时分支。
    ③处一直判别DelayTime标志组中的Delay500ms位，如果处于置位状态，说明所需的延时未到，执行空操作，直到延时时间到，在WDTISR中将Delay500ms复位，跳出while()循环，执行下一条指令。
    同理，如果任务2需要30 s延时，通过WDTCTL=WDT_ADLY_1000激活WDT中断，每隔1 s进中断一次，在WDT ISR中判别标志发现是Delay30s置位而不是Delay500ms执行30 s延时程序分支。每中断一次，计数器nS加l，直到计到30，说明30 s延时完成，清零计数器，停止看门狗(WETCTL=WE)THOLD+WDTPW；)可停止产生中断，并复位该延时标志，以通知任务延时时间到，可以执行下面的指令了。
    在WDT ISR中可以根据延时基数和计数器的搭配实现任意长度的时间延时。在系统程序设计时，先确定所需的不同延时时间，然后在WDT。ISR中添加相应的延时分支即可。嵌入式实时操作系统μC／OS—II移植于MSP430单片机就是使用看门狗定时器产生时钟节拍的。
    对于系统比较简单，只需要单一时长的延时．而又要考虑系统功耗时，介绍另一种使用看门狗定时器中断完成延时的方法。若要延时1 s，则设定WDT每250 ms中断一次。在需要延时处，启动看门狗定时器并允许其中断，系统进入低功耗模式3(共有5种．模式)休眠。在中断服务程序中对延时时间累加，当达到1 s时唤醒CPU，并停止看门狗定时器中断。实例代码如下：
    vold main(vold){
    WDTCTL=WDT_ADT_ADLY_250)
    ／／启动WDT,每250 ms中断一次
    IEII=WDTIE)／／使能看门狗定时器中断
    _BIS_SR(LPM3_bitS+GIE)；
    ／／系统休眠于低功耗模式3，开总中断
    }
    #pragrna vector=WDT_VECTOR
    —interrupt void WDT_Delay(void){ ／／看门狗中断服务程序
    statlc unsigned charn=4；
    if(一一n==O){ ／／延时4×250 ms=1 s
    —BlC_SR_IRQ(LPM3_blts)；
    ／／将CPU从低功耗模式3唤醒
    WDTCTL=WDTHOLD+WDTPW：
    IEl＆=～WDTIE；)
    ／／关闭看门狗定时器并禁止其中断
    }
    这种方法充分发挥了MSP430系列的超低功耗特性，在等待延时的过程中，CPU不需要一直判断标志位以得知延时结束，而是进入省电模式。等待过程中，只有极短的时间会在中断服务程序中累计时间并进行判断。可以根据需要设置CPU进入不同的低功耗模式LPMx。如果系统使用了多种外设中断，并在其他中断服务程序中也有唤醒CPU的语句，这种方法便不再适用了。
    μs级延时不宜使用硬件延时，因为频繁的进出中断会使CPU用大量时间来响应中断和执行中断返回等操作。硬件延时的方法适用于ms级以上的长时间延时。　

    2 . 软件延时
    在对数字温度传感器DS18820的操作中，用到的延时有：15 μs、90μs、270 μs、540 μs等。这些延时短暂，占用CPU时间不是太多，所以比较适合软件延时的方法。通过汇编语言编写的程序，很容易控制时间，我们知道每条语句的执行时间，每段宏的执行时间及每段子程序加调用的语句所消耗的时间。因此，要用C语言编制出较为精确的延时程序，就必须研究该段C程序生成的汇编代码。
    循环结构延时：延时时间等于指令执行时间与指令循环次数的乘积，举例来讲，对如下延时程序进行实验分析。
    void delay(unsigned int time){
    while(time一一){}；
    在main()中调用延时函数delayr(n)；得到的延时时间是多少，需要在MSP430单片机的集成编译环境IAR Em—bedded Wclrkbeneh IDE 3．10A中编制测试。
    使用C430写好一段可执行代码，在其中加入延时函数，并在主函数中调用，以delay(1OO)为例。设置工程选项Options，在Debugger栏中将Drivet选为Simulator，进行软件仿真。在仿真环境C—SPY Debugger中，从菜单View中调出Disassembly和Register窗口，前者显示编程软件根据C语言程序编译生成的汇编程序，在后者窗口中打开CPU Register子窗体，观察指令周期计数器CYCLE—COUNTER。可以看到，delay()编译得到如下代码段：
    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
    单步执行，观察CYCI正COUNTER，发现每执行一条指令，CYCLECOUNTER的值加1，说明这5条指令各占用1个指令周期，循环体while()每执行一次需要5个指令周期，加上函数调用和函数返回各占用3个指令周期，delay(100)延时了5×100+6—506个指令周期。只要知道指令周期，就能容易的计算出延时时长了。延时函数因循环语句和编译器的不同，执行时间也有所不同，依照上述方法具体分析，可以达到灵活编程的目的。
    MSP430的指令执行速度即指令所用的周期数，这里的时钟周期指主系统时钟MCLK的周期。单片机上电后，如果不对时钟系统进行设置，默认800 kHz的DCOCLK为MCLK和SMCLK的时钟源，LFXTl接32768 Hz晶体，工作在低频模式(XTS=O)作为ACLK的时钟源。CPU的指令周期由MCLK决定，所以默认的指令周期就是1／800 kHz=1．25μs。要得到lμs的指令周期需要调整DCO频率，即MCLK=1 MHz，只需进行如下设置：BCSCTLl=XT20FF+RSEL2；
    ／／关闭XT2振荡器，设定DCO频率为1 MHz
    DCOCTL=DCO2
    ／／使得单指令周期为lμs
    并不是说MSP430单片机软件延时最小的延时基准是lμs，当开启XT2=8 MHz高频振荡器，指令周期可以达到125 ns。MSP430F4XX系列的单片机由于采用了增强型锁频环技术FLL+，可以将DCO频率倍增到40MHz，从而得到最快25 ns的指令周期。
    调用延时函数的方法适合于100 μs～1 ms之间的延时，100μs以下的短延时最好通过空操作语句_NoP()或其任意个组合来实现。可使用宏定义实现需要的延时，如要延时3 μs，则：
    #define DELAY5US{_NOP();_NOP()；_NOP()；}

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