1. 问题背景

硬件背景

移位寄存器：SN74HC595N
两个4位共阳数码管

移位/锁存逻辑——set/reset

在学习GD32F407VET时，将学习STC8实现的数码管模块移植过来，发现了一个很奇怪的问题。其中移位操作的实现如下（封装了对两个串联移位寄存器的移位操作，控制8个数码管中显示哪一个，以及控制数码管显示内容）：

static void shift(uint8_t data) {
    for (uint8_t i = 0; i < 8; ++i) {
        gpio_bit_write(NIX_DI_PORT, NIX_DI_PIN, (data & (0x80 >> i)) ? SET : RESET);
        gpio_bit_reset(NIX_SCK_PORT, NIX_SCK_PIN);
        __NOP();
        gpio_bit_set(NIX_SCK_PORT, NIX_SCK_PIN);
        __NOP();
    }
}

static void rck_action() {
    gpio_bit_reset(NIX_RCK_PORT, NIX_RCK_PIN);
    __NOP();
    gpio_bit_set(NIX_RCK_PORT, NIX_RCK_PIN);
    __NOP();
}

发现单独指定某个数码管显示某个数是没有问题的：

// 要显示1~8对应的码表
uint8_t code[] = {0xF9, 0xA4, 0xB0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xF8, 0x80,};
Int_NixieTube_DisplaySingle(0, code[0]);

但是想使用 for控制数码管轮流显示1~8时，就发现显示的内容并不符合预期：

for (uint8_t i = 0; i < 8; ++i) {
    Int_NixieTube_DisplaySingle(i, code[i]);
    delay_1ms(1000);
}

移位/锁存逻辑——write

但是将其中 gpio_bit 的 set/reset换成 write之后，发现数码管能够按照预期显示了：

static void shift(uint8_t data) {
    for (uint8_t i = 0; i < 8; ++i) {
        gpio_bit_write(NIX_DI_PORT, NIX_DI_PIN, (data & (0x80 >> i)) ? SET : RESET);
        gpio_bit_write(NIX_SCK_PORT, NIX_SCK_PIN, RESET);
        __NOP();
        gpio_bit_write(NIX_SCK_PORT, NIX_SCK_PIN, SET);
        __NOP();
    }
}

static void rck_action() {
    gpio_bit_write(NIX_RCK_PORT, NIX_RCK_PIN, RESET);
    __NOP();
    gpio_bit_write(NIX_RCK_PORT, NIX_RCK_PIN, SET);
    __NOP();
}

查看这些函数的实现：

void gpio_bit_set(uint32_t gpio_periph, uint32_t pin)
{
    GPIO_BOP(gpio_periph) = (uint32_t)pin;
}

void gpio_bit_reset(uint32_t gpio_periph, uint32_t pin)
{
    GPIO_BC(gpio_periph) = (uint32_t)pin;
}

void gpio_bit_write(uint32_t gpio_periph, uint32_t pin, bit_status bit_value)
{
    if(RESET != bit_value) {
        GPIO_BOP(gpio_periph) = (uint32_t)pin;
    } else {
        GPIO_BC(gpio_periph) = (uint32_t)pin;
    }
}

发现 write只不过将 set/reset包成了一个函数，唯一不同的就是多了一个 if判断。

但是，一个if 的耗时又能对程序产生什么影响呢？我百思不得其解。

2. 时序要求引发的血案

小小if暗藏玄机

在各种 Google, GPT之后，结合代码上下文，发现代码中使用了 nop来增加时延，再结合移位寄存器需要根据我们通过GPIO发送的SRCLK（移位时钟）、RCLK（锁存时钟）的上升沿来进行移位操作和锁存操作（将移位寄存器更新到锁存寄存器 storage register）。

我设置的GD32F407的主频是168MHz，这个比STC8时的24MHz还是要快几倍的，计算一下nop对应一个时钟周期的时间为 1/168MHz约为 5.95ns、1/24MHz约为 41.67ns。

这样看来，一个 if判断还真有可能引发了血案，其所消耗的时钟周期（增加的时延）可能正好满足了移位寄存器的时序要求，从而使得数码管能够正常显示。

数据手册不可少

在想到可能时时延导致的问题后，不妨看一下芯片对应的官方手册，看能否找到答案。

这里要注意的是，一定要找与芯片型号、品牌一致的：

Timing Requirements

这里我们主要看时序要求（Timing Requirements ）相关的章节

Set-up time

其中描述了，我们在使用串行信号线 SER、移位寄存器时钟线 SRCLK、锁存器时钟线 RCLK 来操作 SN74HC595N 时，需要的准备时间，例如

SER before SRCLK↑

在操作SRCLK上升沿将SER存入移位寄存器之前，SER应该预备的时间，以125ns为例，伪代码如下

set SER
wait 125ns
SRCLK = 0;
SRCLK = 1;

SRCLK↑ before RCLK↑

在操作完所有的移位后，将移位寄存器更新到锁存寄存器（即更新到电路，控制数码管的段选和片选），需要操作RCLK上升沿。

该参数规定了，RCLK上升沿应该与SRCLK上升沿保持的时间间隔

Pulse duration

其中描述了SRCLK、RCLK被置位后应该持续一段时间，所以我们还需要在上述基础上增加两个延时（以100ns为例）

set SER
wait 125ns
SRCLK = 0;
wait 100ns
SRCLK = 1;

再加上锁存的操作：

set SER
wait 125ns
SRCLK = 0;
wait 100ns
SRCLK = 1;

wait 100ns
RCLK = 0;
wait 100ns
RCLK = 1;

再看if和nop

之前对于时序控制的理解并不深刻，简单的以为使用 nop停顿一下就好。现在看来，无论是不同主频对应的 nop时延不同，还是 if耗时也能影响数码管的生死，都在提醒我们时序控制不可小觑。

在使用MCU对外围设备/芯片交互

、控制时，一定要严格按照芯片要求的时序控制，结合MCU自身指令耗时来编写程序。

static void shift(uint8_t data) {
    for (uint8_t i = 0; i < 8; ++i) {
        gpio_bit_write(NIX_DI_PORT, NIX_DI_PIN, (data & (0x80 >> i)) ? SET : RESET);
        delay_1us(1);
        gpio_bit_reset(NIX_SCK_PORT, NIX_SCK_PIN);
        delay_1us(1);
        gpio_bit_set(NIX_SCK_PORT, NIX_SCK_PIN);
        delay_1us(1);
    }
}

static void rck_action() {
    gpio_bit_reset(NIX_RCK_PORT, NIX_RCK_PIN);
    delay_1us(1);
    gpio_bit_set(NIX_RCK_PORT, NIX_RCK_PIN);
    delay_1us(1);
}