让单片机运行速度更快一些

本文就如何提高单片机的运行速度与读者们展开探讨。   

1 问题的提出

1.1 硬件技术背景

单片机的频率越来越高，RAM的访问速度也来也快，但单片机系统的效率并不一定成比例的提高。
　
目前，使用的主流单片机有80386EX(50MHz，外部地址/数据总线16位)、MPC860T(66MHz，外部地址/数据总线32位)以及DS80C32(25MHz，外部地址/数据总线8位)；使用的SDRAM有HY57系列、K416系列(访问速度100MHz或133MHz)；使用的SRAM 如IDT71024、IDT7256(50MHz)；使用的Flash有AT29C512、SST39VF040、AT29C010(8MHz或15MHz)等。可见，SDRAM，SRAM的速度和单片机是匹配的，甚至比单片机的速度更快一点，不需要单片机插入等待状态。而flash的访问频率则比单片机慢2~6倍，单片机往往要通过插入多个等待状态来和它相匹配，况且Flash多为8位，而当前单片机多为16，32位，更多的降低了单片机的工作性能。

根据上述分析，如果提高Flash的访问速度，扩展Flash为16位或32位，那么程序执行的速度就快了，单片机的性能也就提高了。如果能够将这一想法变成事实，而且成本低廉的话，那是最好不过的事情。事实上，可以将8位的Flash扩展为16位、甚至32位，但要付出2~4倍的成本。由于Flash结构及工艺原因，在目前不可能有高达66MHz的商用化且价格低廉的Flash。所以，只能通过其它方式来提升单片机的运行速度。

1.2 软件技术背景

首先，看看传统单片机程序的运行原理，为了便于说明，假定硬件平台为860T，时钟为50MHz；SDRAM空间4M×32bit，地址范围从0x00000000~0x00FFFFFF，访问时间10ns；Flash空间512K×8bit，访问时间为100ns,地址范围从0x02800000~0x0287FFFF(至于其它单片机，运行原理大致相同，可以类推)。860T在上电后，PC(Program Counter)=0x2800100，程序从PC指定的地方执行，首先执行初始化代码(BootCode)，再执行主程序(AppCode)。程序从Flash中读取指令(code)，来完成数据的传输——可能是SDRAM和内部寄存器的传输，SDRAM之间的传输，SDRAM和外设的传输，中断处理等各项工作。可见在程序运行时，很大一部分时间是从Flash中读取指令，而这个过程是很费时间的。以假定的860T硬件平台为例，因为Flash访问时间为100ns，所以读一条指令的时间至少是100ns，也就是说860T读一条指令的时候要等待100ns。(指令cache通过预取指令的方式，可以使实际取指令时间短一些，但这种方法的效果并不明显，况且很多单片机还没有指令cache。)

860T平台的内存分配如图1所示。


图1  传统单片机的内存分配模式

2 将代码从Flash搬运到SDRAM中的原理

通过上述分析，初始化代码BootCode只在程序启动的时候执行，就是慢一点，也可以接受。真正影响性能的是主程序(AppCode)，因为这里的代码在不停的重复执行，如果可以缩短它的取指令时间，则单片机的空闲时间将大大减少，性能也就提高了很多。SDRAM的速度比较快，如果将代码搬运到SDRAM中，取指令时间就减少了很多；而且SDRAM空间大，不会因为代码占用了一部分空间而影响性能。但这不仅仅是简单的搬运过程，有物理存储器地址的变化牵涉在这个过程中。将软件源代码转换成可执行的二进制映像包括三个步骤：首先，每一个源文件都必须被编译或汇编到一个目标文件(object file)；第二步，所有的目标文件要连接成一个目标文件，它叫可重定位程序(relocation program)；最后，在一个称为重定址(relocation)的过程中，要把物理存储器地址指定给可重定位程序里的每个相对偏移处，生成一个可执行的二进制映像文件。如果在Flash中运行，则所有的物理存储器地址应该在Flash的地址空间中。如果要在RAM中运行，则所有的物理存储器地址应该在Flash的地址空间之中。也就是说，如果要使从Flash中搬运到SDRAM中的代码可用，则必须改变被搬运代码的物理存储器地址。

3 搬运代码的实现方法

下面结合假定的硬件平台，详细描述物理存储器地址重定位，代码搬运的原理及过程。我们编写两个c文件——RomTool.c、RAMapp.c。

RomTool.c完成860T初始化，SDRAM的刷新，中断及外设的初始化；Flash到SDRAM的代码搬运驱动模块及跳转模块。对应的二进制映像文件为RomTool.bin。

RAMapp.c是实际的应用程序, 对应的二进制映像文件为RAMapp .bin。RAMapp.bin被搬运后在SDRAM中运行。

3.1 物理存储器地址映射规则

RomTool.c的物理地址映射规则为：数据放在起始为0x3000，大小为0xf0000的SDRAM空间里；代码被烧结在起始为0x02800000，大小为0x10000的Flash空间里，不会被搬运，也在该空间里运行。

所以在RomTool.lnx中指定的定位规则也应该是这个地址范围，如下：

MEMORY
　　{
　　ram1: ORIGIN = 0x00003000, LENGTH = 0xf000
　　flash: ORIGIN = 0x02800000, LENGTH = 0x1000
　　}
　　SECTIONS
　　{
　　.data : {} > ram1
　　.text : {} > flash
　　}
　　RamApp.c的物理地址映射规则为：

数据放在起始为0x3000，大小为0xf0000的空间里；代码被烧结在起始为0x02810000，大小为0x70000的Flash中，它要被搬运到起始为0x00F00000，大小为0x70000的SDRAM空间里，即RamApp.Bin实际在SDRAM中运行。

所以，在RamApp.lnx中指定的定位规则应该在SDRAM中，如下：
　　
MEMORY
　　{
　　ram1: ORIGIN = 0x00003000, LENGTH = 0xf000
　　ram: ORIGIN = 0x00F00000, LENGTH = 0x7000
　　}
　　SECTIONS
　　{
　　.data : {} > ram1
　　.text : {} > ram
　　}

最后，在860单片机系统的地址映射规则如图2所示。对照图1，可以观察到这和传统的程序地址映射有很大不同。


图2  地址映射表

3.2 搬运的过程

860T上电复位，RomTool.bin首先被执行，完成初始化工作后，运行代码搬运函数，将RAMapp.bin搬运到SDRAM中，随后改变PC(Program Counter)的值，无条件转移到SDRAM中运行RAMapp.bin，如图3所示。


图3  从Flash到SDRAM搬运代码的过程

3.3 搬运代码的驱动模块及跳转模块源代码

(1)搬运代码驱动模块的代码

    void MoveCodeF_to_RAM(UWORD *FlashCode_Add, UWORD *RamCode_Add,UWORD CodeLen) {
　　do{
　　*RamCode_Add++ = *FlashCode_Add++;
　　CodeLen?
　　} while ( CodeLen!=0)
　　}

该段代码是将开始地址为FlashCode_Add，长度为CodeLen的Flash代码搬运到开始地址为RamCode_Add，长度为CodeLen的SDRAM 中。

(2)主函数及跳转模块

　　#define FlashCode_Add_V 0x02810000
　　#define RamCode_Add_V 0x00f00000
　　#define CodeLen_V 0x00070000/4
　　void main(){
　　UWORD *I=(UWORD *) FlashCode_Add_v;
　　UWORD *j= (UWORD *) RamCode_Add_v;
　　UWORD *k= (UWORD *) CodeLen_V;
　　MoveCodeF_to_RAM( (UWORD *) i, (UWORD *) j, (UWORD *)k );
　　# 跳转模块
　　asm(“addis r2,0,0x00f0”);
　　asm(“ori r2,r2,0x0000”); # 代码起始地址0x00f00000
　　asm(“mtspr LR,r2”);
　　asm(“bclr 20,0”); # 无条件转跳到链接寄存器
　　# (LR)中的地址
　　}
　　FlashCode_Add_V：被搬运代码的首地址，在Flash中。
　　RamCode_Add_V：被搬运代码的目标地址，在RAM中。
　　CodeLen_V：被搬运代码的长度，按32位计算。

该函数在调用代码搬运MoveCodeF_to_RAM函数，将代码从Flash搬运到SDRAM中后，将程序指针转移到SDRAM中。注意跳转的地址一定要和RamCode_Add_V一致。