ws2812驱动总结（包括对时序的详细分析，代码基于STC15系列单片机）

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ws2812相信有不少人都用过，大家对这款彩色LED真的是又爱又恨，爱的是它它使用简单，采用单总线通信方式，节约IO口，而且可以多级串联。而普通的彩色LED不是共阴就是共阳，每个颜色一个引脚，一般都是用PWM驱动，想要控制亮度、颜色就要分别控制每个引脚上的PWM占空比，想要驱动多个LED就更麻烦了。恨的是ws2812对时序的要求比较高，对低速单片机不太友好。今天我们就详细谈一谈ws2812的驱动。

不想看分析过程的直接跳到最后看总结。

拿到一款芯片，第一件事就是找datasheet，找datasheet很简单，找一份靠谱的datasheet有时很困难，特别是国内一些翻译后datasheet往往有错误，我被坑过很多次。说真的我也不想看英文手册，但是没办法，除非有官方中文版，还是要尽量看原版英文手册。就这款芯片来说，我找到了多个版本，不管是国外，国内的，官网上的，还是某些文库中的，关于时序的定义竟然完全没有一样的！！！！这里直接把时序部分摘出来给大家看一下。

第一种

第二种

第三种

第四种

第五种

第六种

看完这些datasheet我完全不知道该相信哪个，总的来说，第一张图片中的参数似乎比较平均，所以我就以它为基准来编写驱动。

在和大家分享我的驱动程序之前，先来看看别人的驱动程序。目前在网上能找到的驱动大多是STM32、STM8、Arduino的驱动，很少有STC单片机的驱动。
STM32的驱动方式目前我见到的有三种，第一种直接控制IO口，并精确调整延时，这个没什么好说的，略过；第二种将SPI的时钟调整为8MHz，发送一字节正好是1.25us，给ws2812发送0即通过SPI总线发送11000000b，发送1即通过SPI总线发送11111100b，非常巧妙的一种方式；第三种方式使用PWM，周期设置为3MHz，发送0就把占空比设置为33%，发送1就把占空比设置为66%，也是一种不错的方式。关于Arduino我不想说了，网上代码太多了，核心部分都是用汇编写的。STC的驱动也有一部分，但我真的不敢恭维，有的就是无脑堆_nop_();，有的要求时钟必须为24MHz，总之能用就行，没有一篇文章会详细分析时序，我真的无力吐槽。

所成我给我定个小目标：写一个简单好用的STC单片机ws2812驱动。

我们常用的主频一般是12MHz或11.0592MHz，我的驱动要争取能在这个主频下工作，况且不是所有的场合都要用24MHz这么高的频率，比如低功耗的场合，如果单片机中的某些代码精确依赖时钟，改变主频对整个代码的改动也比较大，比如定时器、串口的波特率都需要改。如果你没什么追求，只要能用就行，那么可以略过中间的分析过程直接跳到最后看结论。最后说一句，杠精自重！

先看看我们能不能借鉴别人的驱动方案，STC15的SPI速率最高为SYSCLK/4，也就是说主频要达到32MHz才可以，软件中最高只能设置到30MHz，何况这个主频超过我的目标，SPI方案PASS。PWM方案应该有可行性，但是8DIP封装的单片机没有PWM接口，也没有SPI接口，这个方案我也考虑。那么最后就只有控制IO口这一个方案了。

根据这个思路，我们会编写类似以下代码（这部分代码只做演示，杠精自重）

void ws2812_write_byte(u8 dat)
{u8 i = 0;for(i = 0; i < 8; i++){if((dat & 0x80) == 0x80){WS2812_IO = 1;delay_us(0.7);WS2812_IO = 0;delay_us(0.6);}else{WS2812_IO = 1;delay_us(0.35);WS2812_IO = 0;delay_us(0.8);}dat = dat << 1;}
}

显然，这个代码在STC这样的低速单片机上是不能正常工作的，毕竟执行任何语句都需要时间。当然在STM32等高速单片机上这种代码是有可能正常工作的。

当然这个代码有优化空间，我们可以将一些相同的操作提取出来，比如设置IO口还有延时，于是我们可以得到这样的代码

void ws2812_write_byte(u8 dat)
{u8 i = 0;for(i = 0; i < 8; i++){WS2812_IO = 1;delay_us(0.3);if((dat & 0x80) == 0x80){delay_us(0.4);WS2812_IO = 0;delay_us(0.6);}else{WS2812_IO = 0;delay_us(0.8);}dat = dat << 1;}
}

比前一个代码稍微好一些，但还是不实用

听说while循环比for循环效率高，使用自减计数比自加计数效率高，那我们就再改一版（关于循环下文有详细分析，杠精自重！）

void ws2812_write_byte(u8 dat)
{u8 i = 8;while(i--){WS2812_IO = 1;delay_us(0.3);if((dat & 0x80) == 0x80){delay_us(0.4);WS2812_IO = 0;delay_us(0.6);}else{WS2812_IO = 0;delay_us(0.8);}dat = dat << 1;}
}

我们知道51单片机有一种数据类型是其他架构所不一定具备的，那就是布尔型（sbit，或称为位），直接对位进行操作要比使用与逻辑判断更快，零点几微秒的延时真的太短了，如果我们把delay_us函数直接展开成NOP指令还能节省函数调用的时间开销，于是我们得到一个比较复杂，但性能大幅提升的新代码

// 需根据实际情况适当调整NOP语句数量
#define SEND_BIT0 {WS2812_IO=1;_nop_();_nop_();_nop_();WS2812_IO=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}
#define SEND_BIT1 {WS2812_IO=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();WS2812_IO=0;_nop_();_nop_();_nop_();}u8 bdata LED_DATA;
sbit DAT_bit0 = LED_DATA^0;
sbit DAT_bit1 = LED_DATA^1;
sbit DAT_bit2 = LED_DATA^2;
sbit DAT_bit3 = LED_DATA^3;
sbit DAT_bit4 = LED_DATA^4;
sbit DAT_bit5 = LED_DATA^5;
sbit DAT_bit6 = LED_DATA^6;
sbit DAT_bit7 = LED_DATA^7;void ws2812_write_byte(u8 dat)
{LED_DATA = dat;if(DAT_bit0){SEND_BIT1}else{SEND_BIT0};if(DAT_bit1){SEND_BIT1}else{SEND_BIT0};if(DAT_bit2){SEND_BIT1}else{SEND_BIT0};if(DAT_bit3){SEND_BIT1}else{SEND_BIT0};if(DAT_bit4){SEND_BIT1}else{SEND_BIT0};if(DAT_bit5){SEND_BIT1}else{SEND_BIT0};if(DAT_bit6){SEND_BIT1}else{SEND_BIT0};if(DAT_bit7){SEND_BIT1}else{SEND_BIT0};
}

上面这个代码就比较实用了，但是我实际测试中发现，这个代码在24MHz下可以用，但12MHz下是不能用的（因为分支跳转指令比较耗时，12MHz时分支跳转占用的时间不能满足ws2812时序的要求），走到这一步如果还想继续优化就必须深入分析汇编代码。

本文所用的单片机型号为STC15W4K32S4，所用指令集为STC-Y5指令集，仅适用于STC15Fxx、STC15Lxx、STC15Wxx系列，不包括STC15F104E（A版）、STC15L104E（A版）、STC15F204EA（A版）、STC15L204EA（A版）。

STC-Y5以前的指令集很多指令的执行时间要大于STC-Y5的指令集；最新的STC8Fxx及STC8Axx系列采用的STC-Y6指令集大幅度优化，绝大多数指令被优化为单周期指令，执行速度远远快于STC-Y5。由于ws2812对时序的要求较高，本文中的代码高度依赖于这些指令的执行时间，因此文中代码 完全不保证 在其他单片机上能正常驱动ws2812。

列举并对比程序中用到的几条指令在不同版本指令集上的执行时间

指令集	STC-Y1	STC-Y3	STC-Y5	STC-Y6
代表型号	STC89C52	STC12C5A60S2	STC15W4K32S4	STC8A8K64S4A12
MOV A, Rn （寄存器送入累加器）	12	1	1	1
MOV Rn, A （累加器送入寄存器）	12	2	1	1
MOV Rn, #data （立即数送入寄存器）	12	2	2	1
MOV bit, C （进位位送入直接地址位）	24	4	3	1
RL A （累加器循环左移）	12	1	1	1
RLC A （累加器带进位循环左移）	12	1	1	1
CLR A （清零累加器）	12	1	1	1
CLR C （清零进位位）	12	1	1	1
CLR bit （清零直接地址位）	12	4	3	1
SETB bit （置一直接地址位）	12	4	3	1
INC Rn （寄存器加一）	12	3	2	1
DEC Rn （寄存器减一）	12	3	2	1
ADD A, direct （直接地址单元中的数据加到累加器）	12	3	2	1
SUBB A, #data （累加器带借位键立即数）	12	2	2	1
JZ rel （累加器为零转移）	24	3	4	条件不成立不转移1时钟；条件成立则转移3时钟
JNC rel （进位为零转移）	24	3	3	条件不成立不转移1时钟；条件成立则转移3时钟
CJNE Rn, #data, rel （寄存器与立即数相比较，不相等则转移）	24	4	4	条件不成立不转移2时钟；条件成立则转移3时钟
SJMP rel （相对转移）	24	3	3	3
DJNZ Rn, rel （寄存器减1，非零转移）	24	4	4	条件不成立不转移2时钟；条件成立则转移3时钟
LCALL addr16 （长调用子程序）	24	6	4	3
RET （子程序返回）	24	4	4	3
NOP （空指令）	12	1	1	1

先来分析时序，在ws2812的datasheet中可以看到TH+HL=1.25us，假设主频为12MHz，1.25us即0.00000125/(1/12M)=15个周期，也就是说我们要在15个周期内执行一定数量的指令来完成IO置高、IO置低、数据移位、跳转等所有必要的操作！

略去漫长的调试过程，最后我写出了最精简的汇编代码

void ws2812asm(unsigned char dat)
{
#pragma asmMOV A, R7MOV R6, #0x08
WS2812LOOP:SETB P3.7RLC AMOV P3.7, CNOPCLR P3.7DJNZ R6, WS2812LOOP
#pragma endasm
}

来分析一下这个代码，R7即函数调用时传入的dat，将dat放入累加器A中，然后将8放入R6中作为循环计数，这里我用的是P3.7引脚，用SETB语句将它置为高电平，然后用RLC指令将dat左移一位，最高位进入进位位C，使用MOV语句将进位位的值赋给P3.7引脚，NOP延时，之后将P3.7引脚置为低电平，DJNZ将计数值减一不为零则跳转到WS2812LOOP继续执行。整个代码的循环体耗时为3+1+3+1+3+4=15个CLK，完美！

我们从WS2812LOOP处分析一下时序，假设调用函数前发送了复位信号，此时IO状态为低电平

CLK	时间/us	语句	IO状态	说明
1	0.083	SETB P3.7	0
2	0.166	SETB P3.7	0
3	0.250	SETB P3.7	0
4	0.333	RLC A	1	SETB语句执行完毕，IO被置高
5	0.417	MOV P3.7, C	1
6	0.500	MOV P3.7, C	1
7	0.583	MOV P3.7, C	1
8	0.667	NOP	0/1	这里IO的状态为0或1
9	0.750	CLR P3.7	0/1	如果发送的数据为0即为0
10	0.833	CLR P3.7	0/1	否则为1
11	0.916	CLR P3.7	0/1
12	1.000	DJNZ R6, WS2812LOOP	0
13	1.083	DJNZ R6, WS2812LOOP	0
14	1.166	DJNZ R6, WS2812LOOP	0
15	1.250	DJNZ R6, WS2812LOOP	0

如果发送的数据为0，则高电平为0.33us，低电平为0.92us

如果发送的数据为1，则高电平为0.67us，低电平为0.58us

这个时序基本符合datasheet中的要求，误差也在±150us以内。

简单验证一下，试试看看究竟能不能驱动ws2812

void main()
{WS2812_IO = 1;Delay100us();WS2812_IO = 0;Delay100us();ws2812asm(100);ws2812asm(0);ws2812asm(0);while(1){}
}

事实证明这个代码完全可以正常驱动ws2812！

但是，等等，好像有哪里不对，我们这里只考虑循环体的执行时间，循环体外有两个MOV语句，函数调用前会有一个MOV语句将参数传入寄存器R7，之后LCALL语句调用函数，调用完之后还有RET语句返回，这样一来整个函数调用的总时间为3+4+1+2+14+4=28个CLK，约2.4us，超过了手册中要求的1.25us，即使算上600ns的误差也还是超时了，但是ws2812却被正常点亮了！也就是说即使时序不完全符合datasheet中的要求也是可以工作的！这是非常重要的一点！最后经过我的反复实验得出一个结论：小于45us的高电平为判定为逻辑0，大于45us的高电平被判定为逻辑1，低电平的时长只要不要超过复位信号的时长都可以完成数据的传输！

有了这个结论，我们的编程工作就会轻松许多，只要我们将循环的跳转、赋值、计算灯珠颜色等耗时的操作放在低电平时就行了。

作为一个有最求的人，我觉不满足于此，汇编代码比C代码要难一些，阅读也有点费劲，那么能不能写出符合时序的C代码呢？来尝试一下。

置位、清位、左移这三个操作时必须的，完全没有优化空间，那么只剩一个循环可以优化。前文说到要详细研究一下各种循环语句，一般处理器中都有为零跳转指令、减一为零跳转等类似指令，使用自减计数只需要一条指令即可完成循环的跳转，若果使用自加计数，一般会被编译为自加、判断、跳转三条指令，因此一般来说while循环配合自减计数是效率最高的。但是，对于GNU等编译器，它们会充分利用目标平台的指令的特点进行优化，甚至将for自加的循环优化为while自减的循环，另外对于PC或其他高性能的平台，一个循环上损失的效率可以忽略不计，编程时不用在这种细节上纠结。杠精自重！

我这里写了6种循环，编译出来逐一进行分析（这里统一采用无符号数，我知道还有有符号数、浮点数等计数方式，>=、<=、==等判断条件的方式，精力有限，有兴趣的自己研究，杠精自重！）

void test1()
{u8 i = 8;while(i){_nop_();i--;}
}C:0x19BE    MOV     R7,#0x08
C:0x19C0    NOP
C:0x19C1    DJNZ    R7,C:19C0
C:0x19C3    RET

汇编代码非常简单，是所有循环中效率最高的，只用一条DJNZ语句就完成了减一、判断和跳转，除去NOP语句，整个循环体耗时为4个CLK。

void test2()
{u8 i = 8;while(i){i--;_nop_();}
}C:0x199C    MOV     R7,#0x08
C:0x199E    MOV     A,R7
C:0x199F    JZ      C:19A5
C:0x19A1    DEC     R7
C:0x19A2    NOP
C:0x19A3    SJMP    C:199E
C:0x19A5    RET

和test1()函数的区别在于语句的顺序不同，自减、判断和跳转被拆分成三条语句，除去NOP语句，整个循环体耗时1+4+2+3=10个CLK

void test3()
{u8 i = 0;while(i < 8){_nop_();i++;}
}C:0x1993    CLR     A
C:0x19B0    MOV     R7,A
C:0x19B1    NOP
C:0x19B2    INC     R7
C:0x19B3    CJNE    R7,#0x08,C:19B1
C:0x19B6    RET

与前两个函数不同，这里采用自加计数循环，除去NOP语句，循环体耗时2+4=6个CLK

void test4()
{u8 i = 0;while(i < 8){i++;_nop_();}
}C:0x008E    CLR     A
C:0x008F    MOV     R7,A
C:0x0090    MOV     A,R7
C:0x0091    CLR     C
C:0x0092    SUBB    A,#0x08
C:0x0094    JNC     C:009A
C:0x0096    INC     R7
C:0x0097    NOP
C:0x0098    SJMP    C:0090
C:0x009A    RET

同样是自加计数循环，这是所有循环中效率最低的一个，除去NOP语句，整个循环体用了6条语句，耗时1+1+2+3+2+3=12个CLK

void test5()
{u8 i = 8;for(i; i != 0; i--){_nop_();}
}C:0x0080    MOV      R5,#0x08
C:0x0082    NOP
C:0x0088    DJNZ     R5,C:0082
C:0x008A    RET

这个编译出来的结果和test1()一样，略过

void test6()
{u8 i = 0;for(i; i < 8; i++){_nop_();}
}C:0x1965    CLR     A
C:0x1966    MOV     R5,A
C:0x1967    NOP
C:0x196D    INC     R5
C:0x196E    CJNE    R5,#0x08,C:1967
C:0x1971    RET

这个编译出来的结果和test3()一样，略过

所以我们可以得出结论，采用while自减循环的方式效率最高，调试的过程略过，最后我们得到如下代码

void ws2812_write_byte(u8 dat)
{u8 i = 8;dat <<= 1;while(i){WS2812_IO = 1;WS2812_IO = CY;WS2812_IO = 0;dat <<= 1;i--;}
}

来看一下上面的C代码编译后对应的汇编代码，比我写的汇编代码效率稍微低一点，但是完全可以正常工作。我不是针对某些编译器（GNU编译的代码真的让我感叹写出这种编译器的人真牛B），在这里我只说C51这个编译器，它编译出的代码不一定比自己写的更好，我知道设置里面可以选择优化体积或优化速度，我这里采用默认选择第8级优化，Reuse Common Entry Code，优化速度Fever Speed（杠精自重）。

C:0x1AB3    MOV     R6,#0x08
C:0x1AB5    MOV     A,R7
C:0x1AB6    ADD     A,ACC(0xE0)
C:0x1AB8    MOV     R7,A
C:0x1AB9    SETB    P37(0xB0.7)
C:0x1ABB    MOV     P37(0xB0.7),C
C:0x1ABD    CLR     P37(0xB0.7)
C:0x1ABF    MOV     A,R7
C:0x1AC0    ADD     A,ACC(0xE0)
C:0x1AC2    MOV     R7,A
C:0x1AC3    DJNZ    R6,C:1AB9
C:0x1AC5    RET

C语言中的左移、右移依照被操作数是有符号数或无符号数被编译为算数左移、右移或逻辑左移右移指令，C51中的RL、RLC、RR、RRC这4条指令都是循环左移、右移，没有算数左移、右移和逻辑左移右移指令，因此在C51中被编译为MOV A,R7;ADD A,ACC(0xE0);MOV R7,A 这3条指令，执行的时间更长了。ADD A,ACC(0xE0)这句可能不太好理解，单独讲一下，这句是将直接地址单元中的数据加到累加器，这里的直接地址单元就是ACC，它的地址是0xE0，查阅手册我们发现0xE0这个地址就是累加器A本身，也就是说将累加器自己的内容加上自己，也就是相当于乘2，也就是左移一位。

最终我们得出了驱动ws2812最精简的C语言代码，可以正常工作于12MHz或11.0592MHz，其他主频请根据实际情况增减NOP语句的数量。

void ws2812_write_byte(u8 dat)
{u8 i = 8;dat <<= 1;while(i){WS2812_IO = 1;// 如果主频较高可在此处适当增加_nop_():// 将下面的dat <<= 1;移至此处也可以WS2812_IO = CY;WS2812_IO = 0;dat <<= 1;i--;}
}

再次强调，本代码仅用于STC-Y5指令集的单片机，包括STC15Fxx、STC15Lxx、STC15Wxx系列，不包括STC15F104E（A版）、STC15L104E（A版）、STC15F204EA（A版）、STC15L204EA（A版）。由于ws2812对时序的要求较高，本代码高度依赖这些指令的执行时间，对于其他STC单片机或其他架构单片机完全不保证 能正常驱动ws2812，请根据指令的执行周期、MCU主频自行修改！

结论

复位信号为50us以上的低电平，复位信号不会熄灭已经点亮的灯珠（假设已经发送了5个红色数据，此时复位，然后又发送2个蓝色数据，那么灯珠点亮的状态为蓝蓝红红红，而不是蓝蓝灭灭灭）
小于0.45us的高电平为逻辑0，大于0.45us的高电平为逻辑1，低电平的时长不要超过复位信号的时长
每位或每字节或每3字节传输完成后建议保持低电平，如果保持高电平且持续时间大于0.45us就会被认为逻辑1，假设下一个传输的数据是0就会出错，因此只建议在完成所有传输后保持高电平
因为每位数据传输完成后是低电平，因此发送下一位数据的时间间隔不要超过50us，否则会被判定为复位信号，因此可以充分利用50us以内的低电平的这段时间做一些比较费时的操作，如读取数据、计算下一个灯珠的颜色等
只有收到完整的24位数据才会点亮一颗灯珠，之后的数据被传送到下一颗灯珠，任意时刻都可以发送复位信号，未传输完成的数据会被丢弃

以上结论仅代表个人观点共大家参考，并不等同于官方说面，虽说是参考，但也非常有意义，其中部分细节datasheet中并未说明，以让大家少走弯路。市场上有ws2812的兼容灯珠，个人精力有限，对于这些兼容灯珠本人不保证此结论的正确性。

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