8051、ARM和DSP指令周期的測試與分析方法
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行測試,并進行分析比較。分析結(jié)論對系統(tǒng)控制器的選擇有一定的指導作用。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/257487.htm在實時控制系統(tǒng)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(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進行編譯、鏈接,生成可執(zhí)行文件。當調(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)膮R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(nèi)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(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腳設置為輸出口,并對其進行循環(huán)的置位操作和清除操作。C源程序如下:
#includeconfig.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(zhí)行文件。當調(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(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(shù)據(jù),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(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復位,即LED4點亮
STRR1,[R0]
;無條件跳轉(zhuǎn)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(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(zhí)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(zhuǎn)指令共占用100 ns,相當于4個指令周期。
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