8051、ARM和DSP指令周期的測試與分析方法

在實(shí)時(shí)嵌入式控制系統中，指令周期對系統的性能有至關(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(yǔ)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。分析結論對系統控制器的選擇有一定的指導作用。

在實(shí)時(shí)控制系統中，選擇微控制器的指標時(shí)最重要的是計算速度的問(wèn)題。指令周期是反映計算速度的一個(gè)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(jìn)行了分析和測試。為了能觀(guān)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(huán)不斷地置位和清零，通過(guò)觀(guān)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起來(lái)，通過(guò)C語(yǔ)言源程序得到匯編語(yǔ)言指令來(lái)計算每一條匯編語(yǔ)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(shí)鐘采用內部方式，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)機器周期含有6個(gè)時(shí)鐘，因此1個(gè)機器周期包括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(gè)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(guān)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，生成可執行文件。當調用該集成環(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源程序對應的匯編語(yǔ)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(yǔ)言代碼。所有指令共占用6個(gè)機器周期（其中“MOV P1(0x90),#0x01”占用2個(gè)機器周期，“CLR A”和“MOV P1(0x90),A”各占用1個(gè)機器周期，最后一個(gè)跳轉指令占用2個(gè)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(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(shí)鐘頻率可達60 MHz（晶振的頻率為11.059 2 MHz，時(shí)鐘頻率設置為11.059 2×4 =44.236 8 MHz，片內外設頻率為時(shí)鐘頻率的1/4，即晶振的頻率）。ARM7TDMI核通過(guò)使用三級流水線(xiàn)和大量使用內部寄存器來(lái)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(guān)察指令周期，將LPC2114中GPIO的P0.25腳設置為輸出口，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：

　　#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(jìn)行編譯、鏈接，生成可執行文件。當調用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列為該代碼在存儲器中的位置，第2列為機器碼，后面是編譯、鏈接后的匯編語(yǔ)言代碼。循環(huán)部分的語(yǔ)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A(yíng)XD Debugger中,將其調用到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(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A(yíng)RM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(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，這樣從存儲器讀數據或向存儲器寫(xiě)數據要增加1個(gè)時(shí)鐘周期；③ 訪(fǎng)問(wèn)片內外設要增加一個(gè)外設時(shí)鐘周期。當然,每個(gè)指令還要有1個(gè)時(shí)鐘周期，跳轉時(shí)要清空流水線(xiàn)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(guān)察乘法指令，特地采用下述匯編語(yǔ)言進(jìn)行了實(shí)驗。首先是沒(méi)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(diǎn)亮
　　STRR1,[R0]
;無(wú)條件跳轉到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A(yíng)XD Debugger中,將其調用到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(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A(yíng)XD Debugger中,將其調用到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(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，得出如下結論：當ARM指令放在RAM中運行時(shí)，指令“str r0,[r1,#4]”和指令“strr0,[r1,#0xc]”均需350 ns左右，相當于14個(gè)指令周期；指令“ldr r0,0x4000012c”的執行時(shí)間為100 ns，相當于4個(gè)指令周期；MUL乘法指令和MOV傳送指令共占用100ns，相當于4個(gè)指令周期；跳轉指令共占用100 ns，相當于4個(gè)指令周期。