8051、ARM和DSP指令周期的测试与分析（2） 寄存器, 流水线, 源程序, 外设

yuyang911220

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。