8051、ARM和DSP指令周期的测试与分析方法

,#4]
　　40000240[0xe581000c]strr0,[r1,#0xc]
　　40000244[0xeafffffc]b0x4000023c

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。

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，PINSEL0
MAINLDRR0,=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,=LEDCON
LEDSETLDRR0,=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,#0x2000000
LEDSET[0xe59f0028] ldrr0,0x40000128
400000fc[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,=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：

#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;
　　}
}