51单片机最快能生成多高频率的方波？

前言

在嵌入式系统开发中，51 单片机作为一种非常非常非常经典，贯穿上下几十年的微控制器，被广泛应用于各种电子项目中。其中，生成特定频率的方波信号是一项常见的需求。

那么，51 单片机究竟能以多快的速度生成方波呢？这不仅涉及到硬件的性能极限，也与软件编程的技巧密切相关。

在实际应用中，我们可能需要根据不同的场景来生成不同频率的方波，例如用于驱动电机、产生时钟信号或者进行通信等。而了解 51 单片机生成方波的最高频率，是一个有趣又有实用性的探索目标

所以，最快能实现多快？

测试平台

开发工具是keil 5

51单片机是STC89C52RC（16Mhz晶振）

最新手的方式

其实硬件上最简单就是换晶振，如果你换到一个

这个代码就是最简单的，在c语言中实现一个方波输出，只要快速切换电平就可以实现，

cpp 复制代码

#include <reg52.h>
#include <stdio.h>

sbit LCD_RS = P1^3;
void delay(unsigned int i)
{
    while (i--);
}

void main()
{
    // 设置 P1.3 为输出模式
 

    while (1)
    {
        // 点亮 LED（P1.3 输出低电平）
        LCD_RS = 0;
        delay(1);
        // 熄灭 LED（P1.3 输出高电平）
        LCD_RS = 1;
        delay(1);
    }
}

在烧录上面，我们

此时生成的频率为1.425Khz，好像还行，但是不够快

那么我们修改一下烧写，改成双倍速，结果就是没有什么差别，看来烧写并不影响

所以，还是要改程序，我们先试试增加头文件#include "intrins.h"然后把while改成_nop_();

cpp 复制代码

#include <reg52.h>
#include <stdio.h>
#include "intrins.h"

sbit LCD_RS = P1^3;
void delay(unsigned int i)
{
    _nop_();
}

void main()
{
    // 设置 P1.0 为输出模式
 

    while (1)
    {
        // 点亮 LED（P1.0 输出低电平）
        LCD_RS = 0;
        delay(1);
        // 熄灭 LED（P1.0 输出高电平）
        LCD_RS = 1;
        delay(1);
    }
}

这下的波形还是方波，同时，变成了111.111kHz ，非常的快速了，四舍五入有0.2Mhz

但是，有没有可能更快一点？

中等水平的方式

使用定时器，可以有更快的中断方式来实现，理论来说会比使用nop函数更快

这里设置的是 8 位自动重装模式，Timer0 的计数从 TL0 到 TH0，当 Timer0 计数器达到最大值（0xFF）并溢出时，TL0 会被重装载为 TH0 的值。Timer0 的计数范围是 8 位，即从 0 到 255，总共有 256 个计数值。

cpp 复制代码

#include <reg52.h>  // 包含 STC89C52RC 的头文件

void Timer0_Init(void) {
    TMOD &= 0xF0;  // 清除 Timer0 的模式设置位
    TMOD |= 0x02;  // 设置 Timer0 为 8 位自动重装模式

    TH0 = 0xFF;    // 设置 Timer0 的重装载初值（高字节）
    TL0 = 0xF0;    // 设置 Timer0 的初值（低字节）

    ET0 = 1;       // 使能 Timer0 中断
    TR0 = 1;       // 启动 Timer0
    EA = 1;        // 使能全局中断
}

void Timer0_ISR(void) interrupt 1 {
    // Timer0 中断服务程序
    P1 ^= 0x08;    // 反转 P1.3 引脚的电平（0x08 是二进制 00001000）
}

void main(void) {
    P1 = 0x00;  // 初始化 P1 端口

    Timer0_Init();  // 初始化 Timer0

    while (1) {
        // 主循环可以为空，所有的工作都由 Timer0 中断处理
    }
}

可以看到，**最终我们实现了133.333Khz，这个速度非常可以了，**TH0的数值可以直接控制频率

鲜有使用的方式

除了中断之外还有一种比较少用的方法，就是直接使用汇编语言来操控单片机，这种方法可读性比较差但是确实又可以实现

这里我们直接用三部分实现

cpp 复制代码

ORG 0000H          ; 程序起始地址

; 主程序
MAIN_LOOP:
    ; 初始化 P1 端口
    MOV P1, #0FFH  ; 将所有 P1 端口设置为高电平
    CLR P1.3       ; 将 P1.3 设置为低电平

TOGGLE_LOOP:
    CPL P1.3       ; 反转 P1.3 引脚的电平
    ; 延时循环
    MOV R0, #1   ; 设置延时计数器初值
DELAY:
    NOP            ; 空操作指令，用于延时
    DJNZ R0, DELAY ; 延时循环
    SJMP TOGGLE_LOOP ; 无限循环，反复翻转 P1.3 引脚

END

SJMP是短跳转，在-127到+128字之间进行跳转

DJNZ，相当于 if(i--<=0) 这样的条件句式

在这种代码下，翻转频率直接达到了190.476khz，可以说是真的非常非常的快速了。

当然我们还可进一步的提升，我们直接去掉NOP符号，这下直接来到了222.222khz，真的是特别快速的一个频率

还能再快吗？可以，只要继续缩短就能实现

cpp 复制代码

ORG 0000H          ; 程序起始地址

; 主程序
MAIN_LOOP:
    ; 初始化 P1 端口
    MOV P1, #0FFH  ; 将所有 P1 端口设置为高电平
    CLR P1.3       ; 将 P1.3 设置为低电平

TOGGLE_LOOP:
    CPL P1.3       ; 反转 P1.3 引脚的电平
    ; 延时循环
    SJMP TOGGLE_LOOP ; 无限循环，反复翻转 P1.3 引脚

END

直接来到了444.444Khz

总结

实现方法	方波频率
快速切换电平，使用`while (i--);`	1.425Khz
快速切换电平，增加头文件`#include "intrins.h"`并把`while`改成`_nop_();`	111.111kHz
使用定时器，8 位自动重装模式	133.333Khz
使用汇编语言，含`NOP`指令	190.476khz
使用汇编语言，去掉`NOP`指令	222.222khz