讓單片機運行速度更快一些
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1 問(wèn)題的提出
1.1 硬件技術(shù)背景
單片機的頻率越來(lái)越高，RAM的訪(fǎng)問(wèn)速度也來(lái)也快，但單片機系統的效率并不一定成比例的提高。
目前，使用的主流單片機有80386EX(50MHz，外部地址/數據總線(xiàn)16位)、MPC860T(66MHz，外部地址/數據總線(xiàn)32位)以及DS80C32(25MHz，外部地址/數據總線(xiàn)8位)；使用的SDRAM有HY57系列、K416系列(訪(fǎng)問(wèn)速度100MHz或133MHz)；使用的SRAM 如IDT71024、IDT7256(50MHz)；使用的Flash有AT29C512、SST39VF040、AT29C010(8MHz或15MHz)等?？梢?jiàn)，SDRAM，SRAM的速度和單片機是匹配的，甚至比單片機的速度更快一點(diǎn)，不需要單片機插入等待狀態(tài)。而flash的訪(fǎng)問(wèn)頻率則比單片機慢2~6倍，單片機往往要通過(guò)插入多個(gè)等待狀態(tài)來(lái)和它相匹配，況且Flash多為8位，而當前單片機多為16，32位，更多的降低了單片機的工作性能。
根據上述分析，如果提高Flash的訪(fǎng)問(wèn)速度，擴展Flash為16位或32位，那么程序執行的速度就快了，單片機的性能也就提高了。如果能夠將這一想法變成事實(shí)，而且成本低廉的話(huà)，那是最好不過(guò)的事情。事實(shí)上，可以將8位的Flash擴展為16位、甚至32位，但要付出2~4倍的成本。由于Flash結構及工藝原因，在目前不可能有高達66MHz的商用化且價(jià)格低廉的Flash。所以，只能通過(guò)其它方式來(lái)提升單片機的運行速度。
1.2 軟件技術(shù)背景
首先，看看傳統單片機程序的運行原理，為了便于說(shuō)明，假定硬件平臺為860T，時(shí)鐘為50MHz；SDRAM空間4M×32bit，地址范圍從0x00000000~0x00FFFFFF，訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間10ns；Flash空間512K×8bit，訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為100ns,地址范圍從0x02800000~0x0287FFFF(至于其它單片機，運行原理大致相同，可以類(lèi)推)。860T在上電后，PC(Program Counter)=0x2800100，程序從PC指定的地方執行，首先執行初始化代碼(BootCode)，再執行主程序(AppCode)。程序從Flash中讀取指令(code)，來(lái)完成數據的傳輸——可能是SDRAM和內部寄存器的傳輸，SDRAM之間的傳輸，SDRAM和外設的傳輸，中斷處理等各項工作?？梢?jiàn)在程序運行時(shí)，很大一部分時(shí)間是從Flash中讀取指令，而這個(gè)過(guò)程是很費時(shí)間的。以假定的860T硬件平臺為例，因為Flash訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為100ns，所以讀一條指令的時(shí)間至少是100ns，也就是說(shuō)860T讀一條指令的時(shí)候要等待100ns。(指令cache通過(guò)預取指令的方式，可以使實(shí)際取指令時(shí)間短一些，但這種方法的效果并不明顯，況且很多單片機還沒(méi)有指令cache。)
860T平臺的內存分配如圖1所示。
圖1傳統單片機的內存分配模式
2 將代碼從Flash搬運到SDRAM中的原理
通過(guò)上述分析，初始化代碼BootCode只在程序啟動(dòng)的時(shí)候執行，就是慢一點(diǎn)，也可以接受。真正影響性能的是主程序(AppCode)，因為這里的代碼在不停的重復執行，如果可以縮短它的取指令時(shí)間，則單片機的空閑時(shí)間將大大減少，性能也就提高了很多。SDRAM的速度比較快，如果將代碼搬運到SDRAM中，取指令時(shí)間就減少了很多；而且SDRAM空間大，不會(huì )因為代碼占用了一部分空間而影響性能。但這不僅僅是簡(jiǎn)單的搬運過(guò)程，有物理存儲器地址的變化牽涉在這個(gè)過(guò)程中。將軟件源代碼轉換成可執行的二進(jìn)制映像包括三個(gè)步驟：首先，每一個(gè)源文件都必須被編譯或匯編到一個(gè)目標文件(object file)；第二步，所有的目標文件要連接成一個(gè)目標文件，它叫可重定位程序(relocation program)；最后，在一個(gè)稱(chēng)為重定址(relocation)的過(guò)程中，要把物理存儲器地址指定給可重定位程序里的每個(gè)相對偏移處，生成一個(gè)可執行的二進(jìn)制映像文件。如果在Flash中運行，則所有的物理存儲器地址應該在Flash的地址空間中。如果要在RAM中運行，則所有的物理存儲器地址應該在Flash的地址空間之中。也就是說(shuō)，如果要使從Flash中搬運到SDRAM中的代碼可用，則必須改變被搬運代碼的物理存儲器地址。
3 搬運代碼的實(shí)現方法
下面結合假定的硬件平臺，詳細描述物理存儲器地址重定位，代碼搬運的原理及過(guò)程。我們編寫(xiě)兩個(gè)c文件——RomTool.c、RAMapp.c。
RomTool.c完成860T初始化，SDRAM的刷新，中斷及外設的初始化；Flash到SDRAM的代碼搬運驅動(dòng)模塊及跳轉模塊。對應的二進(jìn)制映像文件為RomTool.bin。
RAMapp.c是實(shí)際的應用程序, 對應的二進(jìn)制映像文件為RAMapp .bin。RAMapp.bin被搬運后在SDRAM中運行。
3.1 物理存儲器地址映射規則
RomTool.c的物理地址映射規則為：數據放在起始為0x3000，大小為0xf0000的SDRAM空間里；代碼被燒結在起始為0x02800000，大小為0x10000的Flash空間里，不會(huì )被搬運，也在該空間里運行。
所以在RomTool.lnx中指定的定位規則也應該是這個(gè)地址范圍，如下：
MEMORY
{
ram1: ORIGIN = 0x00003000, LENGTH = 0xf000
flash: ORIGIN = 0x02800000, LENGTH = 0x1000
}
SECTIONS
{
.data : {} > ram1
.text : {} > flash
}
RamApp.c的物理地址映射規則為：
數據放在起始為0x3000，大小為0xf0000的空間里；代碼被燒結在起始為0x02810000，大小為0x70000的Flash中，它要被搬運到起始為0x00F00000，大小為0x70000的SDRAM空間里，即RamApp.Bin實(shí)際在SDRAM中運行。
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