8051、ARM和DSP指令周期的测试与阐发
发布日期：2011-05-03
在及时嵌入式控制体系中，指令周期对体系的性能有至关紧张的影响。先容几种最常用的微控制器的事变机制，采取一段循环语句对这几种微控制器的指令周期举行测试，并举行阐发比较。阐发结论对体系控制器的选择有肯定的引导作用。
在及时控制体系中，选择微控制器的指标时最紧张的是谋略速率的题目。指令周期是反应谋略速率的一个紧张指标，为此本文对三种最具代表性的微控制器（AT89S51单片机、ARM7TDMI核的LPC2114型单片机和TMS320F2812）的指令周期举行了阐发和测试。为了能观察到指令周期，将三种控制器的GPIO口设置为数字输出口，并采取循环不绝地置位和清零，通过观察GPIO口的波形变革得到整个循环的周期。为了将整个循环的周期与详细的每一条指令的指令周期映射起来，通过C语言源步伐得到汇编语言指令来谋略每一条汇编语言的指令周期。
1 AT89S51事变机制及指令周期的测试
AT89S51单片机的时钟采取内部方法，时钟产生器对振荡脉冲举行2分频。由于时钟周期为振荡周期的两倍（时钟周期＝振荡周期P1+振荡周期P2），而1个呆板周期含有6个时钟，因此1个呆板周期包括12个晶振的振荡周期。取石英晶振的振荡频率为11.059 2 MHz，则单片机的呆板周期为12/11.059 2=1.085 1 μs。51系列单片机的指令周期一样平常含1～4个呆板周期，多数指令为单周期指令，有2周期和4周期指令。
为了观察指令周期，对单片机的P1口的最低位举行循环置位操纵和打扫操纵。源步伐如下：
#include
main() {
while(1) {
P1=0x01;
P1=0x00;
}
}
采取KEIL uVISION2举行编译、链接，天生可实行文件。当调用该集成环境中的Debug时，可以得到上述源步伐殽杂模式的反汇编代码：
2:main()
3: {
4:while(1)
5:{
6:P1=0x01;
0x000F759001MOVP1(0x90),#0x01
7:P1=0x00;
0x0012 E4CLRA
0x0013 F590MOVP1(0x90),A
8:}
0x001580EDSJMPmain (C:0003)
此中斜体的代码为C源步伐，正体的代码为斜体C源步伐映射的汇编语言代码。每行汇编代码的第1列为该代码在存储器中的位置，第2列为呆板码，背面是编译、链接后的汇编语言代码。全部指令共占用6个呆板周期（此中“MOV P1(0x90),#0x01”占用2个呆板周期，“CLR A”和“MOV P1(0x90),A”各占用1个呆板周期，末了一个跳转指令占用2个呆板周期），则总的循环周期为6×呆板周期＝6×1.085 1 μs＝6.51 μs。
图1 P1口最低位的波形
将编译、链接天生的可实行文件下载到AT89S51的Flash中实行可以得到P1口最低位的波形，如图1所示。整个循环周期为6.1 μs，与上面的阐发完全同等。
2 LPC2114事变机制及指令周期的测试
LPC2114是基于ARM7TDMI核的可加密的单片机，具有零等待128 KB的片内Flash，16 KB的SRAM。时钟频率可达60 MHz（晶振的频率为11.059 2 MHz，时钟频率设置为11.059 2×4 =44.236 8 MHz，片表里设频率为时钟频率的1/4，即晶振的频率）。ARM7TDMI核通过利用三级流水线和大量利用内部寄存器来进步指令流的实行速率，能提供0.9 MIPS/MHz的指令实行速率，即指令周期为1/(0.9×44.236 8)=0.025 12 μs，约为25 ns。
为了观察指令周期，将LPC2114中GPIO的P0.25脚设置为输出口，并对其举行循环的置位操纵和打扫操纵。C源步伐如下：
#include"config.h"
//P0.25引脚输出
#defineLEDCON0x02000000
intmain(void)
{//设置全部引脚连接GPIO
PINSEL0 = 0x00000000;
PINSEL1 = 0x00000000;
//设置LED4控制口为输出
IO0DIR = LEDCON;
while(1)
{IO0SET = LEDCON;
IO0CLR = LEDCON;
}
return(0);
}
采取ADS1.2举行编译、链接，天生可实行文件。当调用AXD Debugger时，可以得到上述源步伐的反汇编代码：
main[0xe59f1020]ldrr1,0x40000248
40000224[0xe3a00000]movr0,#0
40000228[0xe5810000]strr0,[r1,#0]
4000022c[0xe5810004]strr0,[r1,#4]
40000230[0xe3a00780]movr0,#0x2000000
40000234[0xe1c115c0]bicr1,r1,r0,asr #11
40000238[0xe5810008]strr0,[r1,#8]
4000023c[0xe5810004]strr0,[r1,#4]
40000240[0xe581000c]strr0,[r1,#0xc]
40000244[0xeafffffc]b0x4000023c
40000248[0xe002c000]dcd0xe002c000
每行汇编代码的第1列为该代码在存储器中的位置，第2列为呆板码，背面是编译、链接后的汇编语言代码。循环部分的语句最关键的便是下面3句：
4000023c[0xe5810004]strr0,[r1,#4]
40000240[0xe581000c]strr0,[r1,#0xc]
40000244[0xeafffffc]b0x4000023c
在AXD Debugger中,将其调用到RAM中运行步伐得到循环部分GPIO的P0.25的输出波形,如图2所示。 从图中可以看出,循环周期中保持为高电平的时间为1350 ns左右，低电平的时间为450 ns左右，即指令“str r0,[r1,#4]”和指令“str r0,[r1,#0xc]”均需350 ns左右，而跳转指令则需100 ns左右。这重要是由于以下缘故起因导致的： ① ARM的大部分指令是单周期的，但是也有一些指令(如乘法指令)是多周期的；② 基于ARM核的微控制器只有加载、存储和互换指令可以对存储器的数据举行访问，如许从存储器读数据或向存储器写数据要增长1个时钟周期；③ 访问片表里设要增长一个外设时钟周期。固然,每个指令还要有1个时钟周期，跳转时要清空流水线还要另加肯定的时钟周期。
图2 GPIO的P0.25脚输出波形
为了观察乘法指令，特地采取下述汇编语言举行了实行。起首是没有乘法指令的汇编源步伐：
INCLUDELPC2294.INC ;引入头文件
; P0.25引脚控制LED4，低电平点亮
LEDCONEQU0x02000000
EXPORTMAIN
;声明步伐代码块
AREALEDCONC,CODE,READONLY
;装载寄存器地点，PINSEL0
MAINLDRR0,=PINSEL0
;设置数据，即设置引脚连接GPIO
MOVR1,#0x00000000
STRR1,[R0]; [R0] ← R1
LDRR0,=PINSEL1
STRR1,[R0]
LDRR0,=IO0DIR
LDRR1,=LEDCON
;设置LED控制口为输出
STRR1,[R0]
;设置GPIO控制参数
LOOPLDRR1,=LEDCON
LEDSETLDRR0,=IO0SET
; LED控制I/O置位，即LED4熄灭
STRR1,[R0]
LEDCLRLDRR0,=IO0CLR
; LED控制I/O复位，即LED4点亮
STRR1,[R0]
;无条件跳转到LOOP
B LOOP
采取ADS1.2举行编译、链接后的汇编代码为：
LOOP [0xe3a01780]movr1,#0x2000000
LEDSET[0xe59f0028] ldrr0,0x40000128
400000fc[0xe5801000]strr1,[r0,#0]
LEDCLR[0xe59f0024] ldrr0,0x4000012c
40000104 [0xe5801000]strr1,[r0,#0]
40000108 [0xeafffff9] bLOOP
在AXD Debugger中,将其调用到RAM中运行步伐得到循环部分的GPIO的P0.25脚输出波形，如图3所示。 从图中可以看出，循环周期中保持为高电平的时间为450 ns左右，低电平的时间为550 ns左右。
图3 GPIO的P0.25脚输出波形2
在上例的LOOP循环部分中参加乘法指令，即将循环部分改为：
LOOP LDRR1,=LEDCON
LEDSETLDRR0,=IO0SET
STRR1,[R0]
MOVR2,#0x0234
MULR2,R1,R2
LEDCLRLDRR0,=IO0CLR
STRR1,[R0]
B LOOP
采取ADS1.2举行编译、链接后的汇编代码为：
LOOP[0xe3a01780]movr1,#0x2000000
LEDSET[0xe59f0030]ldrr0,0x40000130
400000fc[0xe5801000]strr1,[r0,#0]
40000100[0xe3a02f8d]movr2,#0x234
40000104[0xe0020291] mulr2,r1,r2
LEDCLR[0xe59f0024] ldrr0,0x40000134
4000010c[0xe5801000]strr1,[r0,#0]
40000110[0xeafffff7]bLOOP
在AXD Debugger中,将其调用到RAM中运行步伐得到循环部分的GPIO的P0.25脚输出波形，如图4所示。 从图中可以看出，循环周期中保持为高电平的时间为550 ns左右，低电平的时间为550 ns左右。与上例比较可知，多出的MUL乘法指令和MOV发送指令共占用100 ns。
综上所述，得出如下结论： 当ARM指令放在RAM中运行时，指令“str r0,[r1,#4]”和指令“strr0,[r1,#0xc]”均需350 ns左右，相称于14个指令周期；指令“ldr r0,0x4000012c”的实行时间为100 ns，相称于4个指令周期；MUL乘法指令和MOV发送指令共占用100ns，相称于4个指令周期；跳转指令共占用100 ns，相称于4个指令周期。
3 TMS320F2812事变机制及指令周期测试
TMS320F2812是TI公司的一款用于控制的高性能和高性价比的32位定点DSP芯片。该芯片最高可在150 MHz主频下事变（本文将其设置到100 MHz），并带有18K×16位０等待周期片上SRAM和128K×16位片上Flash（存取时间为36 ns）。TMS320F2812采取哈佛总线布局，即在同一个时钟周期内可同时举行一次取指令、读数据和写数据的操纵，同时TMS320F2812还通过采取8级流水线来进步体系指令的实行速率。
为了观察指令周期，对TMS320F2812的GPIOA0举行循环的置位操纵和打扫操纵。C源步伐如下：
#include "DSP28_Device.h"
void main(void) {
InitSysCtrl();/*初始化体系*/
DINT;/*关停止*/
IER = 0x0000;
IFR = 0x0000;
InitPieCtrl();/*初始化PIE控制寄存器*/
InitPieVectTable();/*初始化PIE矢量表*/
InitGpio();/*初始化EV*/
EINT;
ERTM;
for(;;) {
GpioDataRegs.GPADAT.all=0xFFFF;
GpioDataRegs.GPADAT.all=0xFFFF;
GpioDataRegs.GPADAT.all=0xFFFF;
GpioDataRegs.GPADAT.all=0x0000;
GpioDataRegs.GPADAT.all=0x0000;
GpioDataRegs.GPADAT.all=0x0000;
}
}
图4 GPIO的P0.25脚输出波形3
此中最紧张的是要对通用输入/输出举行初始化和确定体系CPU时钟。此中体系的时钟通过PLL设置为100 MHz，而初始化 InitGpio() 的源步伐为：
#include "DSP28_Device.h"
void InitGpio(void)
{ EALLOW;
//多路复用器选为数字I/O
GpioMuxRegs.GPAMUX.all=0x0000;
//GPIOAO为输出，别的为输入
GpioMuxRegs.GPADIR.all=0x0001;
GpioMuxRegs.GPAQUAL.all=0x0000;
EDIS;
}
通过在主步伐for(;;)的地方加断点,可以很容易找到上面主步伐中循环部分步伐编译后的汇编指令：
3F8011 L1:
3F8011761FMOVWDP,#0x01C3
3F8013 2820 MOV@32,#0xFFFF
3F8015 2820 MOV@32,#0xFFFF
3F8017 2820 MOV@32,#0xFFFF
3F8019 2820 MOV@32,#0xFFFF
3F801B 2820 MOV@32,#0xFFFF
3F801D 2820 MOV@32,#0xFFFF
3F801F 2B20 MOV@32,#0
3F8020 2B20 MOV@32,#0
3F8021 2B20 MOV@32,#0
3F8022 6FEF SBL1,UNC
此中第1列为步伐在RAM中的位置，第2列为呆板码，背面便是汇编语言步伐。指令“MOV @32,#0xFFFF”使GPIO输出高电平，指令“MOV @32,#0”使GPIO输出低电平。此中含有6个使GPIOA0输出高电平的指令和3个使GPIOA0输出低电平的指令，体系的指令周期为10 ns，因此循环周期中保持高电平的时间为60 ns。通过将该步伐放在H0 SARAM中举行调试，可得GPIOA0的波形，如图5所示。此中高电平常间恰好为60 ns。细致，由于3个低电平之后要举行跳转，故清空流水线的周期要长一些。
图5 TMS320F2812中GPIOA0的波形1
为了观察乘法指令的周期，将上述循环部分的C源步伐修改为：
for(;;)
{Uint16 test1,test2,test3;
test1=0x1234; test2=0x2345;
GpioDataRegs.GPADAT.all=0xFFFF;
GpioDataRegs.GPADAT.all=0xFFFF;
GpioDataRegs.GPADAT.all=0xFFFF;
test3=test1*test2;
GpioDataRegs.GPADAT.all=0x0000;
GpioDataRegs.GPADAT.all=0x0000;
GpioDataRegs.GPADAT.all=0x0000;
}
上述步伐颠末编译、链接后的汇编指令如下：
3F8012L1:
3F80122841MOV*-SP[1],#0x1234
3F8014 2842 MOV*-SP[2],#0x2345
3F8016 761F MOVWDP,#0x01C3
3F8018 2820 MOV@32,#0xFFFF
3F801A 2820 MOV@32,#0xFFFF
3F801C 2820 MOV@32,#0xFFFF
3F801E 2D42 MOVT,*-SP[2]
3F801F 1241 MPYACC,T,*-SP[1]
3F8020 9643 MOV*-SP[3],AL
3F8021 2B20 MOV@32,#0
3F8022 2B20 MOV@32,#0
3F8023 2B20 MOV@32,#0
3F8024 6FEE SBL1,UNC
此中使GPIOA0为高电平的指令仍旧为6个指令周期（此中包括1个乘法指令），由于乘法指令也是单周期的，因此循环周期中保持高电平的时间为60 ns。通过将该步伐放在H0 SARAM中举行调试可得GPIOA0的波形,如图6所示。此中高电平常间恰好为60 ns，而由于3个低电平之后要举行跳转，要清空流水线，并且还要为乘法做准备，因此保持低电平的时间比图5所需的时间要长。当采取数字式示波器观察时，要是探头采取×1档观察的波形不是很抱负，则可以采取×10档,并共同调理探头的补偿旋钮。
图6 TMS320F2812中GPIOA0的波形2
4 三种微处理惩罚器的比较
起重要夸大的是,这几种微控制器都可以通过进步晶振的振荡频率来收缩指令周期，但是这些控制器的振荡频率是有肯定限定的，比方单片机不高出40 MHz，而LPC2114的频率不高出60 MHz，TMS320F2812的最高频率为150 MHz。在同样的事变频率下，ARM指令运行的指令周期远远高于传统的单片机。 由于传统的单片机没有采取流水线机制，而ARM核和DSP都采取了流水线，但是由于访问外设和RAM等存储器要加肯定的时钟周期，因此ARM不是真正可以实现单周期运行的，分外是不克不及实现单周期的乘法指令，而DSP可以实现真正的单周期乘法指令，速率要远远高于ARM微控制器。
参考文献
[1] 马忠梅，籍顺心，等. 单片机的C语言应用步伐计划. 北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[2] 薛钧义，张彦斌. MCS51/96系列单片微型谋略机及其应用. 西安：西安交通大学出版社，1990.
[3] 周建功,等. ARM微控制器底子与实践. 北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[4] Texas Instruments Incorporated. TMS320C28x Assembly Language Tools Users Guide. 2001.
[5] Texas Instruments Incorporated. 软件TMS320C28x Optimizing C C++ Compiler Users Guide. 2003.
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