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在實時嵌入式控制系統中，指令周期對系統的性能有至關重要的影響。介紹幾種最常用的微控制器的工作機制，采用一段循環語句對這幾種微控制器的指令周期進行測試，并進行分析比較。分析結論對系統控制器的選擇有一定的指導作用。 在實時控制系統中，選擇微控制器的指標時最重要的是計算速度的問題。指令周期是反映計算速度的一個重要指標，為此本文對三種最具代表性的微控制器（AT89S51單片機、ARM7TDMI核的LPC2114型單片機和TMS320F2812）的指令周期進行了分析和測試。為了能觀察到指令周期，將三種控制器的GPIO口設置為數字輸出口，并采用循環不斷地置位和清零，通過觀察GPIO口的波形變化得到整個循環的周期。為了將整個循環的周期與具體的每一條指令的指令周期對應起來，通過C語言源程序得到匯編語言指令來計算每一條匯編語言的指令周期。 1 AT89S51工作機制及指令周期的測試 AT89S51單片機的時鐘采用內部方式，時鐘發生器對振蕩脈沖進行2分頻。由于時鐘周期為振蕩周期的兩倍（時鐘周期＝振蕩周期P1+振蕩周期P2），而1個機器周期含有6個時鐘，因此1個機器周期包括12個晶振的振蕩周期。取石英晶振的振蕩頻率為11.059 2 MHz，則單片機的機器周期為12/11.059 2=1.085 1 μs。51系列單片機的指令周期一般含1～4個機器周期，多數指令為單周期指令，有2周期和4周期指令。 為了觀察指令周期，對單片機的P1口的最低位進行循環置位操作和清除操作。源程序如下： #include main() { while(1) { P1=0x01; P1=0x00; } } 采用KEIL uVISION2進行編譯、鏈接，生成可執行文件。當調用該集成環境中的Debug時，可以得到上述源程序混合模式的反匯編代碼： 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) 其中斜體的代碼為C源程序，正體的代碼為斜體C源程序對應的匯編語言代碼。每行匯編代碼的第1列為該代碼在存儲器中的位置，第2列為機器碼，后面是編譯、鏈接后的匯編語言代碼。所有指令共占用6個機器周期（其中“MOV P1(0x90),#0x01”占用2個機器周期，“CLR A”和“MOV P1(0x90),A”各占用1個機器周期，最后一個跳轉指令占用2個機器周期），則總的循環周期為6×機器周期＝6×1.085 1 μs＝6.51 μs。 
圖1 P1口最低位的波形 將編譯、鏈接生成的可執行文件下載到AT89S51的Flash中執行可以得到P1口最低位的波形，如圖1所示。整個循環周期為6.1 μs，與上面的分析完全一致。 2 LPC2114工作機制及指令周期的測試 LPC2114是基于ARM7TDMI核的可加密的單片機，具有零等待128 KB的片內Flash，16 KB的SRAM。時鐘頻率可達60 MHz（晶振的頻率為11.059 2 MHz，時鐘頻率設置為11.059 2×4 =44.236 8 MHz，片內外設頻率為時鐘頻率的1/4，即晶振的頻率）。ARM7TDMI核通過使用三級流水線和大量使用內部寄存器來提高指令流的執行速度，能提供 0.9 MIPS/MHz的指令執行速度，即指令周期為1/(0.9×44.236 8)=0.025 12 μs，約為25 ns。 為了觀察指令周期，將LPC2114中GPIO的P0.25腳設置為輸出口，并對其進行循環的置位操作和清除操作。C源程序如下： #include"config.h" //P0.25引腳輸出 #defineLEDCON0x02000000 intmain(void) {//設置所有引腳連接GPIO PINSEL0 = 0x00000000; PINSEL1 = 0x00000000; //設置LED4控制口為輸出 IO0DIR = LEDCON; while(1) {IO0SET = LEDCON; IO0CLR = LEDCON; } return(0); } 采用ADS1.2進行編譯、鏈接，生成可執行文件。當調用AXD Debugger時，可以得到上述源程序的反匯編代碼： 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 每行匯編代碼的第1列為該代碼在存儲器中的位置，第2列為機器碼，后面是編譯、鏈接后的匯編語言代碼。循環部分的語句最關鍵的就是下面3句： 4000023c[0xe5810004]strr0,[r1,#4] 40000240[0xe581000c]strr0,[r1,#0xc] 40000244[0xeafffffc]b0x4000023c 在AXD Debugger中,將其調用到RAM中運行程序得到循環部分GPIO的P0.25的輸出波形,如圖2所示。從圖中可以看出,循環周期中保持為高電平的時間為1350 ns左右，低電平的時間為450 ns左右，即指令“str r0,[r1,#4]”和指令“str r0,[r1,#0xc]”均需350 ns左右，而跳轉指令則需100 ns左右。這主要是由于以下原因造成的： ① ARM的大部分指令是單周期的，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載、存儲和交換指令可以對存儲器的數據進行訪問，這樣從存儲器讀數據或向存儲器寫數據要增加1個時鐘周期；③ 訪問片內外設要增加一個外設時鐘周期。當然,每個指令還要有1個時鐘周期，跳轉時要清空流水線還要另加一定的時鐘周期。
圖2 GPIO的P0.25腳輸出波形 為了觀察乘法指令，特地采用下述匯編語言進行了實驗。首先是沒有乘法指令的匯編源程序： INCLUDELPC2294.INC ;引入頭文件 ; P0.25引腳控制LED4，低電平點亮 LEDCONEQU0x02000000 EXPORTMAIN ;聲明程序代碼塊 AREALEDCONC,CODE,READONLY ;裝載寄存器地址，PINSEL0 MAINLDRR0,=PINSEL0 ;設置數據，即設置引腳連接GPIO MOVR1,#0x00000000 STRR1,[R0]; [R0] ← R1 LDRR0,=PINSEL1 STRR1,[R0] LDRR0,=IO0DIR LDRR1,=LEDCON ;設置LED控制口為輸出 STRR1,[R0] ;設置GPIO控制參數 LOOPLDRR1,=LEDCON LEDSETLDRR0,=IO0SET ; LED控制I/O置位，即LED4熄滅 STRR1,[R0] LEDCLRLDRR0,=IO0CLR ; LED控制I/O復位，即LED4點亮 STRR1,[R0] ;無條件跳轉到LOOP B LOOP 采用ADS1.2進行編譯、鏈接后的匯編代碼為： 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,將其調用到RAM中運行程序得到循環部分的GPIO的P0.25腳輸出波形，如圖3所示。 從圖中可以看出，循環周期中保持為高電平的時間為450 ns左右，低電平的時間為550 ns左右。
圖3 GPIO的P0.25腳輸出波形2 在上例的LOOP循環部分中加入乘法指令，即將循環部分改為： LOOP LDRR1,=LEDCON LEDSETLDRR0,=IO0SET STRR1,[R0] MOVR2,#0x0234 MULR2,R1,R2 LEDCLRLDRR0,=IO0CLR STRR1,[R0] B LOOP 采用ADS1.2進行編譯、鏈接后的匯編代碼為： 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,將其調用到RAM中運行程序得到循環部分的GPIO的P0.25腳輸出波形，如圖4所示。從圖中可以看出，循環周期中保持為高電平的時間為550 ns左右，低電平的時間為550 ns左右。與上例比較可知，多出的MUL乘法指令和MOV傳送指令共占用100 ns。 綜上所述，得出如下結論：當ARM指令放在RAM中運行時，指令“str r0,[r1,#4]”和指令“strr0,[r1,#0xc]”均需350 ns左右，相當于14個指令周期；指令“ldr r0,0x4000012c”的執行時間為100 ns，相當于4個指令周期；MUL乘法指令和MOV傳送指令共占用100ns，相當于4個指令周期；跳轉指令共占用100 ns，相當于4個指令周期。 3 TMS320F2812工作機制及指令周期測試 TMS320F2812是TI公司的一款用于控制的高性能和高性價比的32位定點DSP芯片。該芯片最高可在150 MHz主頻下工作（本文將其設置到100 MHz），并帶有18K×16位０等待周期片上SRAM和128K×16位片上Flash（存取時間為36 ns）。TMS320F2812采用哈佛總線結構，即在同一個時鐘周期內可同時進行一次取指令、讀數據和寫數據的操作，同時TMS320F2812還通過采用8級流水線來提高系統指令的執行速度。 為了觀察指令周期，對TMS320F2812的GPIOA0進行循環的置位操作和清除操作。C源程序如下： #include "DSP28_Device.h" void main(void) { InitSysCtrl();/*初始化系統*/ DINT;/*關中斷*/ 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; } }
圖4 GPIO的P0.25腳輸出波形3 其中最重要的是要對通用輸入/輸出進行初始化和確定系統CPU時鐘。其中系統的時鐘通過PLL設定為100 MHz，而初始化 InitGpio() 的源程序為： #include "DSP28_Device.h" void InitGpio(void) { EALLOW; //多路復用器選為數字I/O GpioMuxRegs.GPAMUX.all=0x0000; //GPIOAO為輸出，其余為輸入 GpioMuxRegs.GPADIR.all=0x0001; GpioMuxRegs.GPAQUAL.all=0x0000; EDIS; } 通過在主程序for(;;)的地方加斷點,可以很容易找到上面主程序中循環部分程序編譯后的匯編指令： 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 其中第1列為程序在RAM中的位置，第2列為機器碼，后面就是匯編語言程序。指令“MOV @32,#0xFFFF”使GPIO輸出高電平，指令“MOV @32,#0”使GPIO輸出低電平。其中含有6個使GPIOA0輸出高電平的指令和3個使GPIOA0輸出低電平的指令，系統的指令周期為10 ns，因此循環周期中保持高電平的時間為60 ns。通過將該程序放在H0 SARAM中進行調試，可得GPIOA0的波形，如圖5所示。其中高電平時間正好為60 ns。注意，由于3個低電平之后要進行跳轉，故清空流水線的周期要長一些。
圖5 TMS320F2812中GPIOA0的波形1 為了觀察乘法指令的周期，將上述循環部分的C源程序修改為： 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; } 上述程序經過編譯、鏈接后的匯編指令如下： 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 其中使GPIOA0為高電平的指令仍然為6個指令周期（其中包括1個乘法指令），因為乘法指令也是單周期的，因此循環周期中保持高電平的時間為60 ns。通過將該程序放在H0 SARAM中進行調試可得GPIOA0的波形,如圖6所示。其中高電平時間正好為60 ns，而由于3個低電平之后要進行跳轉，要清空流水線，而且還要為乘法做準備，因此保持低電平的時間比圖5所需的時間要長。當采用數字式示波器觀察時，如果探頭采用×1檔觀察的波形不是很理想，則可以采用×10檔,并配合調節探頭的補償旋鈕。
圖6 TMS320F2812中GPIOA0的波形2 4 三種微處理器的比較 首先要強調的是,這幾種微控制器都可以通過提高晶振的振蕩頻率來縮短指令周期，但是這些控制器的振蕩頻率是有一定限制的，例如單片機不超過40 MHz，而LPC2114的頻率不超過60 MHz，TMS320F2812的最高頻率為150 MHz。在同樣的工作頻率下，ARM指令運行的指令周期遠遠高于傳統的單片機。因為傳統的單片機沒有采用流水線機制，而ARM核和DSP都采用了流水線，但是由于訪問外設和RAM等存儲器要加一定的時鐘周期，因此ARM不是真正可以實現單周期運行的，特別是不能實現單周期的乘法指令，而DSP可以實現真正的單周期乘法指令，速度要遠遠高于ARM微控制器。 參考文獻 [1] 馬忠梅，籍順心，等. 單片機的C語言應用程序設計. 北京：北京航空航天大學出版社，2003. [2] 薛鈞義，張彥斌. MCS51/96系列單片微型計算機及其應用. 西安：西安交通大學出版社，1990. [3] 周立功,等. ARM微控制器基礎與實踐. 北京：北京航空航天大學出版社，2005. [4] Texas Instruments Incorporated. TMS320C28x Assembly Language Tools User?s Guide. 2001. [5] Texas Instruments Incorporated. 軟件TMS320C28x Optimizing C C++ Compiler Users Guide. 2003. 作者：華中科技大學 李達義 來源：《單片機與嵌入式系統應用》2006 (9) |
