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8051、ARM和DSP指令周期的测试与分析

发布时间：2009/6/29 阅读次数：1653 字体大小: 【小】【中】【大】

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,=LEDCON
LEDSETLDRR0,=IO0SET
　　STRR1,[R0]
　　MOVR2,#0x0234
　　MULR2,R1,R2
LEDCLRLDRR0,=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,#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×16位０等待周期片上SRAM和128K×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：
＃i nclude "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：
＃i nclude "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×1档观察的波形不是很理想，则可以采用×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。
参考文献
[1] 马忠梅，籍顺心，等. 单片机的C语言应用程序设计. 北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[2] 薛钧义，张彦斌. MCS51/96系列单片微型计算机及其应用. 西安：西安交通大学出版社，1990.
[3] 周立功,等. ARM微控制器基础与实践. 北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[4] Texas Instruments Incorporated. TMS320C28x Assembly Language Tools
Users Guide. 2001.
[5] Texas Instruments Incorporated. 软件TMS320C28x Optimizing C C++
Compiler Users Guide. 2003.

转载自《单片机与嵌入式系统应用》

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