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8051、ARM和DSP指令周期的测试与分析方法

发布时间:2019-06-15 20:26 来源:未知 编辑:admin

  对系统的性能有至关重要的影响。介绍几种最常用的微控制器的工作机制,采用一段循环语句对这几种微控制器的进行测试,并进行分析比较。分析结论对系统控制器的选择有一定的指导作用。

  在实时控制系统中,选择微控制器的指标时最重要的是计算速度的问题。指令周期是反映计算速度的一个重要指标,为此本文对三种最具代表性的微控制器(AT89S51单片机、ARM7TDMI核的LPC2114型单片机和TMS320F2812)的指令周期进行了分析和测试。为了能观察到指令周期,将三种控制器的GPIO口设置为数字输出口,并采用循环不断地置位和清零,通过观察GPIO口的波形变化得到整个循环的周期。为了将整个循环的周期与具体的每一条指令的指令周期对应起来,通过C语言源程序得到汇编语言指令来计算每一条汇编语言的指令周期。

  AT89S51单片机的时钟采用内部方式,时钟发生器对振荡脉冲进行2分频。由于时钟周期为振荡周期的两倍(时钟周期=振荡周期P1+振荡周期P2),而1个机器周期含有6个时钟,因此1个机器周期包括12个晶振的振荡周期。取石英晶振的振荡频率为11.059 2 MHz,则单片机的机器周期为12/11.059 2=1.085 1 s。51系列单片机的指令周期一般含1~4个机器周期,多数指令为单周期指令,有2周期和4周期指令。

  为了观察指令周期,对单片机的P1口的最低位进行循环置位操作和清除操作。源程序如下:

  采用KEIL uVISION2进行编译、链接,生成可执行文件。当调用该集成环境中的Debug时,可以得到上述源程序混合模式的反汇编代码:

  其中斜体的代码为C源程序,正体的代码为斜体C源程序对应的汇编语言代码。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。所有指令共占用6个机器周期(其中“MOV P1(0x90),#0x01”占用2个机器周期,“CLR A”和“MOV P1(0x90),A”各占用1个机器周期,最后一个跳转指令占用2个机器周期),则总的循环周期为6×机器周期=6×1.085 1 s=6.51 s。

  将编译、链接生成的可执行文件下载到AT89S51的Flash中执行可以得到P1口最低位的波形,如图1所示。整个循环周期为6.1 s,与上面的分析完全一致。

  为了观察指令周期,将LPC2114中GPIO的P0.25脚设置为输出口,并对其进行循环的置位操作和清除操作。C源程序如下:

  采用ADS1.2进行编译、链接,生成可执行文件。当调用AXD Debugger时,可以得到上述源程序的反汇编代码:

  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:

  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。

  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:

  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。

  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。

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