在實時嵌入式控制系統(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。
在實時控制系統(tǒng)中，選擇微控制器的指標(biāo)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(biāo)，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(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循環(huán)的周期。為了將整個循環(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(nèi)部方式，時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖進(jìn)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(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
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，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(zhuǎn)指令占用2個機器周期），則總的循環(huán)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(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。整個循環(huán)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(nèi)Flash，16 KB的SRAM。時鐘頻率可達(dá)60 MHz（晶振的頻率為11.059 2 MHz，時鐘頻率設(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，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(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(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、存儲和交換指令可以對存儲器的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，這樣從存儲器讀數(shù)據(jù)或向存儲器寫數(shù)據(jù)要增加1個時鐘周期；③ 訪問片內(nèi)外設(shè)要增加一個外設(shè)時鐘周期。當(dāng)然,每個指令還要有1個時鐘周期，跳轉(zhuǎn)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(jìn)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(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(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(jié)論：當(dāng)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(dāng)于14個指令周期；指令“ldr r0,0x4000012c”的執(zhí)行時間為100 ns，相當(dāng)于4個指令周期；MUL乘法指令和MOV傳送指令共占用100ns，相當(dāng)于4個指令周期；跳轉(zhuǎn)指令共占用100 ns，相當(dāng)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(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（存取時間為36 ns）。TMS320F2812采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，即在同一個時鐘周期內(nèi)可同時進(jìn)行一次取指令、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)的操作，同時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時鐘。其中系統(tǒng)的時鐘通過PLL設(shè)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(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,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(tǒng)的指令周期為10 ns，因此循環(huán)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(jìn)行調(diào)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(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(huán)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(jìn)行調(diào)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(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間比圖5所需的時間要長。當(dāng)采用數(shù)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(diào)節(jié)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(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(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的單片機。因為傳統(tǒng)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(shè)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(xiàn)單周期運行的，特別是不能實現(xiàn)單周期的乘法指令，而DSP可以實現(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。
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