40000248[0xe002c000]dcd0xe002c000 每行汇编代码的第1列为该代码在存储器中的位置，第2列为机器码，后面是编译、链接后的汇编语言代码。循环部分的语句最关键的就是下面3句： 4000023c[0xe5810004]strr0,[r1,#4] 40000240[0xe581000c]strr0,[r1,#0xc] 40000244[0xeafffffc]b0x4000023c 在AXD Debugger中,将其调用到RAM中运行程序得到循环部分GPIO的P0.25的输出波形,如图2所示。 从图中可以看出,循环周期中保持为高电平的时间为1350 ns左右，低电平的时间为450 ns左右，即指令“str r0,[r1,#4]”和指令“str r0,[r1,#0xc]”均需350 ns左右，而跳转指令则需100 ns左右。这主要是由于以下原因造成的： ① ARM的大部分指令是单周期的，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载、存储和交换指令可以对存储器的数据进行访问，这样从存储器读数据或向存储器写数据要增加1个时钟周期；③ 访问片内外设要增加一个外设时钟周期。当然,每个指令还要有1个时钟周期，跳转时要清空流水线还要另加一定的时钟周期。  图2 GPIO的P0.25脚输出波形 为了观察乘法指令，特地采用下述汇编语言进行了实验。首先是没有乘法指令的汇编源程序： INCLUDELPC2294.INC ;引入头文件; P0.25引脚控制LED4，低电平点亮LEDCONEQU0x02000000 EXPORTMAIN;声明程序代码块 AREALEDCONC,CODE,READONLY;装载寄存器地址，PINSEL0MAINLDRR0,=PINSEL0;设置数据，即设置引脚连接GPIO MOVR1,#0x00000000 STRR1,[R0]; [R0] ← R1 LDRR0,=PINSEL1 STRR1,[R0] LDRR0,=IO0DIR LDRR1,=LEDCON;设置LED控制口为输出 STRR1,[R0];设置GPIO控制参数LOOPLDRR1,=LEDCONLEDSETLDRR0,=IO0SET; LED控制I/O置位，即LED4熄灭 STRR1,[R0]LEDCLRLDRR0,=IO0CLR; LED控制I/O复位，即LED4点亮 STRR1,[R0] ;无条件跳转到LOOP B LOOP 采用ADS1.2进行编译、链接后的汇编代码为： LOOP [0xe3a01780]movr1,#0x2000000LEDSET[0xe59f0028] ldrr0,0x40000128400000fc[0xe5801000]strr1,[r0,#0]LEDCLR[0xe59f0024] ldrr0,0x4000012c 40000104 [0xe5801000]strr1,[r0,#0]40000108 [0xeafffff9] bLOOP 在AXD Debugger中,将其调用到RAM中运行程序得到循环部分的GPIO的P0.25脚输出波形，如图3所示。 从图中可以看出，循环周期中保持为高电平的时间为450 ns左右，低电平的时间为550 ns左右。  图3 GPIO的P0.25脚输出波形2 在上例的LOOP循环部分中加入乘法指令，即将循环部分改为： LOOP LDRR1,=LEDCONLEDSETLDRR0,=IO0SET STRR1,[R0] MOVR2,#0x0234 MULR2,R1,R2LEDCLRLDRR0,=IO0CLR STRR1,[R0] B LOOP 采用ADS1.2进行编译、链接后的汇编代码为： LOOP[0xe3a01780]movr1,#0x2000000LEDSET[0xe59f0030]ldrr0,0x40000130400000fc[0xe5801000]strr1,[r0,#0]40000100[0xe3a02f8d]movr2,#0x23440000104[0xe0020291] mulr2,r1,r2LEDCLR[0xe59f0024] ldrr0,0x40000134 4000010c[0xe5801000]strr1,[r0,#0]40000110[0xeafffff7]bLOOP 在AXD Debugger中,将其调用到RAM中运行程序得到循环部分的GPIO的P0.25脚输出波形，如图4所示。 从图中可以看出，循环周期中保持为高电平的时间为550 ns左右，低电平的时间为550 ns左右。与上例比较可知，多出的MUL乘法指令和MOV传送指令共占用100 ns。 综上所述，得出如下结论： 当ARM指令放在RAM中运行时，指令“str r0,[r1,#4]”和指令“strr0,[r1,#0xc]”均需350 ns左右，相当于14个指令周期；指令“ldr r0,0x4000012c”的执行时间为100 ns，相当于4个指令周期；MUL乘法指令和MOV传送指令共占用100ns，相当于4个指令周期；跳转指令共占用100 ns，相当于4个指令周期。 3 TMS320F2812工作机制及指令周期测试 TMS320F2812是TI公司的一款用于控制的高性能和高性价比的32位定点DSP芯片。该芯片最高可在150 MHz主频下工作（本文将其设置到100 MHz），并带有18K%26;#215;16位０等待周期片上SRAM和128K%26;#215;16位片上Flash（存取时间为36 ns）。TMS320F2812采用哈佛总线结构，即在同一个时钟周期内可同时进行一次取指令、读数据和写数据的操作，同时TMS320F2812还通过采用8级流水线来提高系统指令的执行速度。 为了观察指令周期，对TMS320F2812的GPIOA0进行循环的置位操作和清除操作。C源程序如下： #include "DSP28_Device.h"void main(void) { InitSysCtrl();/*初始化系统*/ DINT;/*关中断*/ 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; }}  图4 GPIO的P0.25脚输出波形3 其中最重要的是要对通用输入/输出进行初始化和确定系统CPU时钟。其中系统的时钟通过PLL设定为100 MHz，而初始化 InitGpio() 的源程序为： #include "DSP28_Device.h"void InitGpio(void){ EALLOW; //多路复用器选为数字I/O GpioMuxRegs.GPAMUX.all=0x0000; //GPIOAO为输出，其余为输入 GpioMuxRegs.GPADIR.all=0x0001; GpioMuxRegs.GPAQUAL.all=0x0000; EDIS;} 通过在主程序for(;;)的地方加断点,可以很容易找到上面主程序中循环部分程序编译后的汇编指令： 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列为程序在RAM中的位置，第2列为机器码，后面就是汇编语言程序。指令“MOV @32,#0xFFFF”使GPIO输出高电平，指令“MOV @32,#0”使GPIO输出低电平。其中含有6个使GPIOA0输出高电平的指令和3个使GPIOA0输出低电平的指令，系统的指令周期为10 ns，因此循环周期中保持高电平的时间为60 ns。通过将该程序放在H0 SARAM中进行调试，可得GPIOA0的波形，如图5所示。其中高电平时间正好为60 ns。注意，由于3个低电平之后要进行跳转，故清空流水线的周期要长一些。  图5 TMS320F2812中GPIOA0的波形1 为了观察乘法指令的周期，将上述循环部分的C源程序修改为： 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;} 上述程序经过编译、链接后的汇编指令如下： 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为高电平的指令仍然为6个指令周期（其中包括1个乘法指令），因为乘法指令也是单周期的，因此循环周期中保持高电平的时间为60 ns。通过将该程序放在H0 SARAM中进行调试可得GPIOA0的波形,如图6所示。其中高电平时间正好为60 ns，而由于3个低电平之后要进行跳转，要清空流水线，而且还要为乘法做准备，因此保持低电平的时间比图5所需的时间要长。当采用数字式示波器观察时，如果探头采用%26;#215;1档观察的波形不是很理想，则可以采用%26;#215;10档,并配合调节探头的补偿旋钮。  图6 TMS320F2812中GPIOA0的波形2 4 三种微处理器的比较 首先要强调的是,这几种微控制器都可以通过提高晶振的振荡频率来缩短指令周期，但是这些控制器的振荡频率是有一定限制的，例如单片机不超过40 MHz，而LPC2114的频率不超过60 MHz，TMS320F2812的最高频率为150 MHz。在同样的工作频率下，ARM指令运行的指令周期远远高于传统的单片机。 因为传统的单片机没有采用流水线机制，而ARM核和DSP都采用了流水线，但是由于访问外设和RAM等存储器要加一定的时钟周期，因此ARM不是真正可以实现单周期运行的，特别是不能实现单周期的乘法指令，而DSP可以实现真正的单周期乘法指令，速度要远远高于ARM微控制器。 |
