8051單片機(jī)定時(shí)器溢出中斷與CPU響應(yīng)中斷的時(shí)間誤差分析

１ 前言

單片機(jī)內(nèi)部一般有若干個(gè)定時(shí)器。如８０５１單片機(jī)內(nèi)部有定時(shí)器０和定時(shí)器１。在定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出時(shí)，便向ＣＰＵ發(fā)出中斷請求。當(dāng)ＣＰＵ正在執(zhí)行某指令或某中斷服務(wù)程序時(shí)，它響應(yīng)定時(shí)器溢出中斷往往延遲一段時(shí)間。這種延時(shí)雖對單片機(jī)低頻控制系統(tǒng)影響甚微，但對單片機(jī)高頻控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制精度卻有較大的影響，有時(shí)還可能造成控制事故。為擴(kuò)大單片機(jī)的應(yīng)用范圍，本文介紹它的定時(shí)器溢出中斷與ＣＰＵ響應(yīng)中斷的時(shí)間誤差、補(bǔ)償誤差的方法和實(shí)例。

２ 誤差原因、大小及特點(diǎn)

產(chǎn)生單片機(jī)定時(shí)器溢出中斷與ＣＰＵ響應(yīng)中斷的時(shí)間誤差有兩個(gè)原因。一是定時(shí)器溢出中斷信號時(shí)，ＣＰＵ正在執(zhí)行某指令；二是定時(shí)器溢出中斷信號時(shí)，ＣＰＵ正在執(zhí)行某中斷服務(wù)程序。

２．１． ＣＰＵ正在執(zhí)行某指令時(shí)的誤差及大小

由于ＣＰＵ正在執(zhí)行某指令，因此它不能及時(shí)響應(yīng)定時(shí)器的溢出中斷。當(dāng)ＣＰＵ執(zhí)行此指令后再響應(yīng)中斷所延遲的最長時(shí)間為該指令的指令周期，即誤差的最大值為執(zhí)行該指令所需的時(shí)間。由于各指令都有對應(yīng)的指令周期，因此這種誤差將因ＣＰＵ正在執(zhí)行指令的不同而不同。如定時(shí)器溢出中斷時(shí)，ＣＰＵ正在執(zhí)行指令ＭＯＶ Ａ， Ｒｎ，其最大誤差為１個(gè)機(jī)器周期。而執(zhí)行指令ＭＯＶ Ｒｎ， ｄｉｒｅｃｔ時(shí)，其最大誤差為２個(gè)機(jī)器周期。當(dāng)ＣＰＵ正在執(zhí)行乘法 或除法指令 時(shí)，最大時(shí)間誤差可達(dá)４個(gè)機(jī)器周期。在８０５１單片機(jī)指令系統(tǒng)中，多數(shù)指令的指令周期為１～２個(gè)機(jī)器周期，因此最大時(shí)間誤差一般為１～２個(gè)機(jī)器周期。若振蕩器振蕩頻率為ｆｏｓｃ，ＣＰＵ正在執(zhí)行指令的機(jī)器周期數(shù)為Ｃｉ，則最大時(shí)間誤差為Δｔｍａｘ１＝１２／ｆｏｓｃ×Ｃｉ（ｕｓ）。例如ｆｏｓｃ＝１２ＭＨＺ，ＣＰＵ正在執(zhí)行乘法指令（Ｃｉ＝４），此時(shí)的最大時(shí)間誤差為：

Δｔｍａｘ１＝１２／ｆｏｓｃ×Ｃｉ＝１２／（１２×１０６）×４＝４×１０－６（ｓ）＝４（μｓ）

２．２ ＣＰＵ正在執(zhí)行某中斷服務(wù)的程序時(shí)的誤差及大小

定時(shí)器溢出中斷信號時(shí)，若ＣＰＵ正在執(zhí)行同級或高優(yōu)先級中斷服務(wù)程序，則它仍需繼續(xù)執(zhí)行這些程序，不能及時(shí)響應(yīng)定時(shí)器的溢出中斷請求，其延遲時(shí)間由中斷轉(zhuǎn)移指令周期Ｔ１、中斷服務(wù)程序執(zhí)行時(shí)間Ｔ２、中斷返回指令的指令周期Ｔ３及中斷返回原斷點(diǎn)后執(zhí)行下一條指令周期Ｔ４（如乘法指令）組成。中斷轉(zhuǎn)移指令和中斷返回指令的指令周期都分別為２個(gè)機(jī)器周期。中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時(shí)間為該程序所含指令的指令周期的總和。因此，最大時(shí)間誤差Δｔｍａｘ２為：

Δｔｍａｘ２＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４）１２／ｆｏｓｃ＝（２＋Ｔ２＋２＋４）１２／ ｆｏｓｃ＝１２（Ｔ２＋８）／ ｆｏｓｃ

若設(shè)ｆｏｓｃ＝１２ＭＨＺ，則最大時(shí)間誤差為：

Δｔｍａｘ２＝１２（Ｔ２＋８）／ ｆｏｓｃ ＝１２（Ｔ２＋８）／１２×１０６＝（Ｔ２＋８）×１０－６（ｓ）＝Ｔ２＋８（μｓ）。

由于上式中Ｔ２一般大于８，因此，這種時(shí)間誤差一般取決于正在執(zhí)行的中斷服務(wù)程序。當(dāng)ＣＰＵ正在執(zhí)行中斷返回指令ＲＥＴＩ、或正在讀寫ＩＥ或ＩＰ指令時(shí)，這種誤差在５個(gè)機(jī)器周期內(nèi)。

２．３ 誤差非固定性特點(diǎn)

定時(shí)器溢出中斷與ＣＰＵ響應(yīng)中斷的時(shí)間誤差具有非固定性特點(diǎn)。即這種誤差因ＣＰＵ正在執(zhí)行指令的不同而有相當(dāng)大的差異。如ＣＰＵ正在執(zhí)行某中斷服務(wù)程序，這種誤差將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于執(zhí)行一條指令時(shí)的誤差。后者誤差可能是前者誤差的幾倍、幾十倍、甚至更大。如同樣只執(zhí)行一條指令，這種誤差也有較大的差別。如執(zhí)行乘法指令ＭＵＬ ＡＢ 比執(zhí)行ＭＯＶ Ａ， Ｒｎ指令的時(shí)間誤差增加了３個(gè)機(jī)器周期。這種誤差的非固定不僅給誤差分析帶來不便，同時(shí)也給誤差補(bǔ)償帶來困難。

３ 誤差補(bǔ)償方法

由于定時(shí)器產(chǎn)生溢出中斷與ＣＰＵ響應(yīng)中斷請求的時(shí)間誤差具有非固定性，因此，這種誤差很難用常規(guī)方法補(bǔ)償。為此，本文介紹一種新方法。現(xiàn)介紹該方法的基本思路、定時(shí)器新初值及應(yīng)用情況。

３．１ 基本思路

為使定時(shí)器溢出中斷與ＣＰＵ響應(yīng)中斷實(shí)現(xiàn)同步，該方法針對中斷響應(yīng)與中斷請求的時(shí)間誤差，對定時(shí)器原有的計(jì)數(shù)初值進(jìn)行修改，以延長定時(shí)器計(jì)數(shù)時(shí)間，從而補(bǔ)償誤差。在該方法中，當(dāng)定時(shí)器溢出中斷得到響應(yīng)后，即停止定時(shí)器的計(jì)數(shù)，并讀出計(jì)數(shù)值。該計(jì)數(shù)值是定時(shí)器溢出后，重新從ＯＯＨ開始每個(gè)機(jī)器周期繼續(xù)加１所計(jì)的值。然后，將這個(gè)值與定時(shí)器的停止計(jì)數(shù)時(shí)間求和。若在定時(shí)器原計(jì)數(shù)初值中減去這個(gè)和形成新計(jì)數(shù)初值，則定時(shí)器能在新計(jì)數(shù)初值下使溢出中斷與ＣＰＵ響應(yīng)中斷實(shí)現(xiàn)同步，從而達(dá)到誤差的補(bǔ)償要求。

３．２ 定時(shí)器新計(jì)數(shù)初值

若定時(shí)器為計(jì)數(shù)方式，操作方式為１，則計(jì)數(shù)器初值Ｘ０＝２１６－ｔ０×ｆｏｓｃ／１２。式中ｆｏｓｃ為振蕩器的振蕩頻率。ｔ０為需要定時(shí)的時(shí)間，也為中斷的間隔時(shí)間。Ｘ０為定時(shí)器原計(jì)數(shù)初值。在對定時(shí)器溢出中斷與ＣＰＵ響應(yīng)中斷時(shí)間誤差進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，定時(shí)器的新計(jì)數(shù)初值Ｘ１為：

Ｘ１＝２１６－ｔ３× ｆｏｓｃ／１２

ｔ３＝ｔ０＋ｔ１＋ｔ２

式中ｔ０為中斷間隔時(shí)間。ｔ１為定時(shí)器停止計(jì)數(shù)時(shí)間，該時(shí)間為定時(shí)器停止計(jì)數(shù)到重新啟動(dòng)計(jì)數(shù)之間所有程序指令周期數(shù)的總和。ｔ２為定時(shí)器溢出中斷后，重新從ＯＯＨ開始直至計(jì)數(shù)器停止時(shí)計(jì)的值。在誤差補(bǔ)償中，若將定時(shí)器計(jì)數(shù)初值Ｘ１取代Ｘ０，則可使定時(shí)器下次的溢出中斷與ＣＰＵ響應(yīng)中斷實(shí)現(xiàn)同步。

３．３ 實(shí)例

要求補(bǔ)償定時(shí)器每１ｍｓ產(chǎn)生一次溢出中斷時(shí)的中斷響應(yīng)延遲的誤差。若振蕩器振蕩頻率ｆｏｓｃ＝１２ＭＨＺ，定時(shí)器工作在計(jì)數(shù)方式，工作模式為１，則補(bǔ)償中斷響應(yīng)時(shí)間誤差時(shí)的定時(shí)器新初值Ｘ１為：

Ｘ１＝２１６－ｔ３× ｆｏｓｃ／１２＝２１６－（ｔ０＋ ｔ１）－ ｔ２＝２１６－（１０００＋ １３）－ ｔ２

誤差補(bǔ)償程序?yàn)椋?/p>

……

０ ＣＬＲ ＥＡ ；關(guān)ＣＰＵ中斷

１ ＣＬＲ ＴＲｉ ；停止定時(shí)器計(jì)數(shù)

２ ＭＯＶ Ｒ０， ＃ＯＯＨ ；Ｒ０清零

３ ＭＯＶ Ｒ０， ＃ＬＯＷ（２１６） ；定時(shí)器最大計(jì)數(shù)值的低８位送Ｒ０

４ ＭＯＶ Ａ， Ｒ０

５ ＳＵＢＢ Ａ， ＃ＬＯＷ（１０００＋１３） ；２１６的低８位減去（ ｔ０＋ ｔ１）的低８位送累加器Ａ

６ ＳＵＢＢ Ａ， ＴＬｉ ；２１６的低８位減去（ ｔ０＋ ｔ１＋ ｔ２）的低８位送ＴＬｉ

７ ＭＯＶ ＴＬｉ， Ａ

８ ＭＯＶ Ｒ０， ＃ＯＯＨ ；Ｒ０清零

９ ＭＯＶ Ｒ０， ＃ＨＩＧＨ（２１６） ；２１６ 的高８位送Ｒ０

１０ ＭＯＶ Ａ， Ｒ０

１１ ＳＵＢＢ Ａ， ＃ＨＩＧＨ（１０００＋１３） ；２１６的高８位減去（ ｔ０＋ ｔ１）的高８位送Ａ

１２ ＳＵＢＢ Ａ， ＴＨｉ ；２１６的高８位減去（ ｔ０＋ ｔ１ ＋ｔ２）的高８位送Ａ

１３ ＭＯＶ ＴＨｉ， Ａ

１４ ＳＥＴＢ ＴＲｉ ；重新啟動(dòng)定時(shí)器

在上式和上段程序中，由于ｆｏｓｃ＝１２ＭＨＺ，中斷間隔時(shí)間為１ｍｓ，因此ｔ０的機(jī)器周期數(shù)為１０００。由于第１條指令到第１４條指令的指令周期的機(jī)器周期數(shù)之和為１３，因此，ｔ１為１３個(gè)機(jī)器周期。ＣＰＵ雖在執(zhí)行第一條指令ＣＬＲ ＴＲｉ 后停止定時(shí)器計(jì)數(shù)，但在ＴＬｉ、ＴＨｉ中分別保存了ｔ２的低位數(shù)據(jù)和高位數(shù)據(jù)。

４ 結(jié)束語

由于本文介紹的誤差補(bǔ)償方法能對定時(shí)器溢出中斷與ＣＰＵ響應(yīng)中斷的非固定性時(shí)間誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償，因此，該方法對于提高高頻控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制精度和擴(kuò)大單片機(jī)應(yīng)用范圍都有較高的實(shí)用價(jià)值。