在 硬件 API 长什么样儿？一文中我们使用了延时函数来保证硬件 API 要求遵守的时序协议。示例：

void write_zero(){    DS18B20_DQ = 0;     delay_60us();    DS18B20_DQ = 1;        // 总线恢复时间    delay_2us();}

代码中的 delay_2us() 和 delay_60us() 都是延时函数并且它们属于软延时，用软件模拟的延时。与之相对的是硬延时，即用定时器等硬件来更精确地设置延时。

软延时的原理就是让 CPU 执行一些指令，并且执行这些指令所用的时间等于想要延时的时间，同时执行这些指令不应该影响程序的结果。例如，可以使用空循环：

for (i = 0; i < 1000; i++) {  // noop}

现在，问题转变为如何计算指令执行时间，比如执行上例的循环到底需要多长时间？要回答这个问题需要弄清楚 CPU 时序，明白 CPU 是怎么执行指令的。下文使用 8051 单片机举例，因为它的实现特别简单。

CPU 振荡周期（时钟周期）

驱动 CPU 不停地自动执行下一条指令的关键部件是“时钟”。时钟不间断地产生高低电平的脉冲信号来驱动电路。如下图所示：

晶体振荡器（简称晶振）使用了特殊的石英晶体元件，它在特定条件下能够产生稳定的周期性振荡信号，经过特殊处理后可以用作时钟。晶振可以长下面这个样子：

时钟频率是时钟的一项关键指标。它表示 1 秒内时钟脉冲周期性变化的次数，单位为赫兹 Hz。时钟频率反映了脉冲信号周期性变化的快慢，频率越高振荡速度越快。它也在一定程序上决定了 CPU 速度的快慢。

拿上图中的晶振举例，上面的 12.000 表示频率为 12MHz，即 1 秒钟完成 12, 000, 000 个振荡周期。因此，1 个振荡周期用时为 (1秒 / 12, 000, 000)，即 1/12 微秒 (μs)。

CPU 机器周期（machine cycle）

机器周期用于衡量计算机指令的执行时间。例如，执行指令 A 需要 1 个机器周期、执行指令 B 需要 2 个机器周期等等。在 51 单片机中，机器周期与振荡周期的关系为（假设使用了 12MHz 晶振）：

接下来，我们需要知道每条指令的执行需要多少个机器周期。方法是查询芯片厂商的技术文档，因为这是由指令的详细设计和实现所决定的。

示例1，NOP 空操作指令，需要 1 机器周期，即 1 微秒：

示例2，DIV 除法指令，需要 4 机器周期，即 4 微秒：

开始编程

延时 1 微秒：

// 注意，这是一个特殊的库函数！它不表示函数调用！！// 编译器会将其编译为一个 NOP 汇编指令_nop_();

延时 2 微秒：

// 注意，这是一个特殊的库函数！它不表示函数调用！！// 编译器会将其编译为一个 NOP 汇编指令_nop_();_nop_();

延时 4 微秒：

void delay_4us(){  // no-op}
delay_4us();

解释：这里我们定义了一个空函数 delay_4us()，然后直接调用这个空函数就相当于延时 4 微秒。因为，调用函数使用 LCALL 汇编指令，需要 2 个机器周期；从函数返回使用 RET 汇编指令，需要 2 个机器周期；一共 4 个机器周期，即 4 微秒。

延时 5 微秒：

void delay_5us(){  _nop_();}
delay_5us();

延时 100 微秒：

void delay_100us(){  unsigned char i;
  _nop_();  i = 47;  while (--i);}
delay_100us();

解释：此例又增加使用了 MOV 和 减 1 非零转移指令。如果延时较长，则需要使用某种形式的循环，不可能拷贝 N 个 NOP 指令的。

总结

指令和周期还有很多技术细节本文并没有描述。软延时不总是可靠的，原因之一是因为中断系统的存在。在软延时空跑指令的时候，有可能中断被触发，这时 CPU 转而去处理中断请求；等中断处理完毕，CPU 才会回到之前的延时程序，此刻的延时时间早就过去了。因此，更准确的延时/定时功能需要使用定时器中断功能。