8051、ARM和DSP指令周期的測試與分析

在實(shí)時(shí)嵌入式控制系統(tǒng)中，指令周期對系統(tǒng)的性能有至關(guān)重要的影響。介紹幾種最常用的微控制器的工作機(jī)制，采用一段循環(huán)語句對這幾種微控制器的指令周期進(jìn)行測試，并進(jìn)行分析比較。分析結(jié)論對系統(tǒng)控制器的選擇有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞 指令周期測試 AT89S51 LPC2114 TMS320F2812

　　在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，選擇微控制器的指標(biāo)時(shí)最重要的是計(jì)算速度的問題。指令周期是反映計(jì)算速度的一個(gè)重要指標(biāo)，為此本文對三種最具代表性的微控制器（AT89S51單片機(jī)、ARM7TDMI核的LPC2114型單片機(jī)和TMS320F2812）的指令周期進(jìn)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(shè)置為數(shù)字輸出口，并采用循環(huán)不斷地置位和清零，通過觀察GPIO口的波形變化得到整個(gè)循環(huán)的周期。為了將整個(gè)循環(huán)的周期與具體的每一條指令的指令周期對應(yīng)起來，通過C語言源程序得到匯編語言指令來計(jì)算每一條匯編語言的指令周期。

1  AT89S51工作機(jī)制及指令周期的測試

　　AT89S51單片機(jī)的時(shí)鐘采用內(nèi)部方式，時(shí)鐘發(fā)生器對振蕩脈沖進(jìn)行2分頻。由于時(shí)鐘周期為振蕩周期的兩倍（時(shí)鐘周期＝振蕩周期P1+振蕩周期P2），而1個(gè)機(jī)器周期含有6個(gè)時(shí)鐘，因此1個(gè)機(jī)器周期包括12個(gè)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(jī)的機(jī)器周期為12/11.059 2=1.085 1 μs。51系列單片機(jī)的指令周期一般含1～4個(gè)機(jī)器周期，多數(shù)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(jī)的P1口的最低位進(jìn)行循環(huán)置位操作和清除操作。源程序如下：

#include<reg51.h>
main() {
　　while(1) {
　　　　P1=0x01;
　　　　P1=0x00;
　　}
}

　　采用KEIL uVISION2進(jìn)行編譯、鏈接，生成可執(zhí)行文件。當(dāng)調(diào)用該集成環(huán)境中的Debug時(shí)，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?qū)?yīng)的匯編語言代碼。每行匯編代碼的第1列為該代碼在存儲(chǔ)器中的位置，第2列為機(jī)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(gè)機(jī)器周期（其中“MOV  P1(0x90),#0x01”占用2個(gè)機(jī)器周期，“CLR  A”和“MOV  P1(0x90),A”各占用1個(gè)機(jī)器周期，最后一個(gè)跳轉(zhuǎn)指令占用2個(gè)機(jī)器周期），則總的循環(huán)周期為6×機(jī)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(zhí)行文件下載到AT89S51的Flash中執(zhí)行可以得到P1口最低位的波形，如圖1所示。整個(gè)循環(huán)周期為6.1 μs，與上面的分析完全一致。

2  LPC2114工作機(jī)制及指令周期的測試

　　LPC2114是基于ARM7TDMI核的可加密的單片機(jī)，具有零等待128 KB的片內(nèi)Flash，16 KB的SRAM。時(shí)鐘頻率可達(dá)60 MHz（晶振的頻率為11.059 2 MHz，時(shí)鐘頻率設(shè)置為11.059 2×4 =44.236 8 MHz，片內(nèi)外設(shè)頻率為時(shí)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(nèi)部寄存器來提高指令流的執(zhí)行速度，能提供0.9 MIPS/MHz的指令執(zhí)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(shè)置為輸出口，并對其進(jìn)行循環(huán)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(shè)置所有引腳連接GPIO
　　　　PINSEL0 = 0x00000000;
　　　　PINSEL1 = 0x00000000;
　　　　//設(shè)置LED4控制口為輸出
　　　　IO0DIR = LEDCON;
　　　　while(1)
　　　　{IO0SET = LEDCON;
　　　　　　IO0CLR = LEDCON;
　　　　}
　　return(0);
}

　　采用ADS1.2進(jìn)行編譯、鏈接，生成可執(zhí)行文件。當(dāng)調(diào)用AXD Debugger時(shí)，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(chǔ)器中的位置，第2列為機(jī)器碼，后面是編譯、鏈接后的匯編語言代碼。循環(huán)部分的語句最關(guān)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(diào)用到RAM中運(yùn)行程序得到循環(huán)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(huán)周期中保持為高電平的時(shí)間為1350 ns左右，低電平的時(shí)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(zhuǎn)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(chǔ)和交換指令可以對存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，這樣從存儲(chǔ)器讀數(shù)據(jù)或向存儲(chǔ)器寫數(shù)據(jù)要增加1個(gè)時(shí)鐘周期；③ 訪問片內(nèi)外設(shè)要增加一個(gè)外設(shè)時(shí)鐘周期。當(dāng)然,每個(gè)指令還要有1個(gè)時(shí)鐘周期，跳轉(zhuǎn)時(shí)要清空流水線還要另加一定的時(shí)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。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(diǎn)亮
LEDCONEQU0x02000000
　　EXPORTMAIN
;聲明程序代碼塊
　　AREALEDCONC,CODE,READONLY
;裝載寄存器地址，PINSEL0
MAINLDRR0,=PINSEL0
;設(shè)置數(shù)據(jù)，即設(shè)置引腳連接GPIO
　　MOVR1,#0x00000000
　　STRR1,[R0]; [R0] ← R1
　　LDRR0,=PINSEL1
　　STRR1,[R0]
　　LDRR0,=IO0DIR
　　LDRR1,=LEDCON
;設(shè)置LED控制口為輸出
　　STRR1,[R0]
;設(shè)置GPIO控制參數(shù)
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(fù)位，即LED4點(diǎn)亮
　　STRR1,[R0]
;無條件跳轉(zhuǎn)到LOOP
　　B LOOP

　　采用ADS1.2進(jìn)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(diào)用到RAM中運(yùn)行程序得到循環(huán)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(huán)周期中保持為高電平的時(shí)間為450 ns左右，低電平的時(shí)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(huán)部分中加入乘法指令，即將循環(huán)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(jìn)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(diào)用到RAM中運(yùn)行程序得到循環(huán)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(huán)周期中保持為高電平的時(shí)間為550 ns左右，低電平的時(shí)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(jié)論： 當(dāng)ARM指令放在RAM中運(yùn)行時(shí)，指令“str  r0,[r1,#4]”和指令“strr0,[r1,#0xc]”均需350 ns左右，相當(dāng)于14個(gè)指令周期；指令“ldr r0,0x4000012c”的執(zhí)行時(shí)間為100 ns，相當(dāng)于4個(gè)指令周期；MUL乘法指令和MOV傳送指令共占用100ns，相當(dāng)于4個(gè)指令周期；跳轉(zhuǎn)指令共占用100 ns，相當(dāng)于4個(gè)指令周期。

3  TMS320F2812工作機(jī)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(jià)比的32位定點(diǎn)DSP芯片。該芯片最高可在150 MHz主頻下工作（本文將其設(shè)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(shí)間為36 ns）。TMS320F2812采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，即在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可同時(shí)進(jìn)行一次取指令、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)的操作，同時(shí)TMS320F2812還通過采用8級流水線來提高系統(tǒng)指令的執(zhí)行速度。

　　為了觀察指令周期，對TMS320F2812的GPIOA0進(jìn)行循環(huán)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(tǒng)*/
　　DINT;/*關(guān)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(jìn)行初始化和確定系統(tǒng)CPU時(shí)鐘。其中系統(tǒng)的時(shí)鐘通過PLL設(shè)定為100 MHz，而初始化 InitGpio() 的源程序?yàn)椋?/p>

#include "DSP28_Device.h"
void InitGpio(void)
{ EALLOW;
　　//多路復(fù)用器選為數(shù)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(diǎn),可以很容易找到上面主程序中循環(huán)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(jī)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(gè)使GPIOA0輸出高電平的指令和3個(gè)使GPIOA0輸出低電平的指令，系統(tǒng)的指令周期為10 ns，因此循環(huán)周期中保持高電平的時(shí)間為60 ns。通過將該程序放在H0 SARAM中進(jìn)行調(diào)試，可得GPIOA0的波形，如圖5所示。其中高電平時(shí)間正好為60 ns。注意，由于3個(gè)低電平之后要進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，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(huán)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(jīng)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(gè)指令周期（其中包括1個(gè)乘法指令），因?yàn)槌朔ㄖ噶钜彩菃沃芷诘?，因此循環(huán)周期中保持高電平的時(shí)間為60 ns。通過將該程序放在H0 SARAM中進(jìn)行調(diào)試可得GPIOA0的波形,如圖6所示。其中高電平時(shí)間正好為60 ns，而由于3個(gè)低電平之后要進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，要清空流水線，而且還要為乘法做準(zhǔn)備，因此保持低電平的時(shí)間比圖5所需的時(shí)間要長。當(dāng)采用數(shù)字式示波器觀察時(shí)，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(diào)節(jié)探頭的補(bǔ)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(qiáng)調(diào)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(jī)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(yùn)行的指令周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的單片機(jī)。 因?yàn)閭鹘y(tǒng)的單片機(jī)沒有采用流水線機(jī)制，而ARM核和DSP都采用了流水線，但是由于訪問外設(shè)和RAM等存儲(chǔ)器要加一定的時(shí)鐘周期，因此ARM不是真正可以實(shí)現(xiàn)單周期運(yùn)行的，特別是不能實(shí)現(xiàn)單周期的乘法指令，而DSP可以實(shí)現(xiàn)真正的單周期乘法指令，速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ARM微控制器。