STM32从Flash中运行程序的时序分析

都知道STM32的CPU时钟频率可以达到72MHz，以后还会更快，但是由于半导体制造工艺的限制，存放程序的Flash存储器不可能达到这么高的工作频率，这样当CPU直接访问Flash存储器时必须插入等待周期以得到正确的结果。

问题是在Flash的速度比CPU慢的情况下，是不是可以简单地说STM32在执行Flash中的程序时每条指令都需要插入等待周期呢？等待周期的插入对程序的执行到底有多大的影响？请看下面的分析：

首先，STM32的内部Flash是组织成64位宽度，即每次可以读出64位；在Flash与CPU的取指队列之间有两个缓冲器，用于暂存Flash中取出的指令，见下图。



其次，STM32的指令有16位的也有32位的，指令是从图中绿色的缓冲器取出；当绿色缓冲器变空时，黄色缓冲器中的内容会被复制到绿色缓冲器中；这样取指与读取Flash互不干扰。

正因为STM32的指令有不同长度，所以程序执行的等待周期与程序的内容有关。

图一是假定所有指令都是16位的指令：
1）时刻t0时黄色缓冲器和绿色缓冲器都为空，此时CPU等待3个周期后，到时刻t1时才能读到指令；
2）时刻t1时绿色缓冲器被填满，黄色缓冲器仍为空，Flash控制器继续读取后续指令；
3）时刻t2时绿色缓冲器还有两个字节，黄色缓冲器被填满；此时因为两个缓冲器都有数据，读取Flash的操作暂停(图一中的绿色虚线框所示)；
4）当黄色缓冲器变空时，绿色缓冲器被复制到黄色缓冲器，同时恢复读取Flash的操作；
5）时刻t3时缓冲器的状态又变为上述第3）步的状态。

从以上分析可以看出，CPU的指令执行是没有等待周期的。但当执行跳转指令时，Flash缓冲器中的内容作废，系统回到了上述第1)步的状态。

图二是假定每三条指令中有两条16位的指令和一条32位的指令。这种情况下，如图所示，CPU的指令执行也是没有等待周期的。

图三是假定所有指令都是32位的指令，从图中可看出，CPU每执行两条指令，要插入一个等待周期。

上面的分析只是针对每个CPU周期都有取指操作的情况，而实际的操作中情况并没有这么简单，因为Cortex-M3的指令不都是单周期指令。

实际的程序执行情况是受很多因素影响的，单纯静态的分析也是不现实的，因此才会出现这么多评测的标准和数据。我们应该以平均的性能指标作为参考的依据，而不是简单的有没有或有多少等待周期作为判断的依据。

原著日期：2008-4-12