8051、ARM和DSP指令周期的測試與分析方法

3 TMS320F2812工作機制及指令周期測試

TMS320F2812是TI公司的一款用于控制的高性能和高性價比的32位定點DSP芯片。該芯片最高可在150 MHz主頻下工作（本文將其設置到100 MHz），并帶有18K×16位０等待周期片上SRAM和128K×16位片上Flash（存取時間為36 ns）。TMS320F2812采用哈佛總線結構，即在同一個時鐘周期內可同時進行一次取指令、讀數據和寫數據的操作，同時TMS320F2812還通過采用8級流水線來提高系統指令的執行速度。

為了觀察指令周期，對TMS320F2812的GPIOA0進行循環的置位操作和清除操作。C源程序如下：

#include DSP28_Device.h
void main(void) {
　　InitSysCtrl();/*初始化系統*/
　　DINT;/*關中斷*/
　　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;
　　}
}

圖4 GPIO的P0.25腳輸出波形3

其中最重要的是要對通用輸入/輸出進行初始化和確定系統CPU時鐘。其中系統的時鐘通過PLL設定為100 MHz，而初始化 InitGpio() 的源程序為：

#include DSP28_Device.h
void InitGpio(void)
{ EALLOW;
　　//多路復用器選為數字I/O
　　GpioMuxRegs.GPAMUX.all=0x0000;
　　//GPIOAO為輸出，其余為輸入
　　GpioMuxRegs.GPADIR.all=0x0001;
　　GpioMuxRegs.GPAQUAL.all=0x0000;
　　EDIS;
}

通過在主程序for(;;)的地方加斷點,可以很容易找到上面主程序中循環部分程序編譯后的匯編指令：

　　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列為程序在RAM中的位置，第2列為機器碼，后面就是匯編語言程序。指令“MOV @32,#0xFFFF”使GPIO輸出高電平，指令“MOV @32,#0”使GPIO輸出低電平。其中含有6個使GPIOA0輸出高電平的指令和3個使GPIOA0輸出低電平的指令，系統的指令周期為10 ns，因此循環周期中保持高電平的時間為60 ns。通過將該程序放在H0 SARAM中進行調試，可得GPIOA0的波形，如圖5所示。其中高電平時間正好為60 ns。注意，由于3個低電平之后要進行跳轉，故清空流水線的周期要長一些。

圖5 TMS320F2812中GPIOA0的波形1

為了觀察乘法指令的周期，將上述循環部分的C源程序修改為：

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;
}

上述程序經過編譯、鏈接后的匯編指令如下：

　　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為高電平的指令仍然為6個指令周期（其中包括1個乘法指令），因為乘法指令也是單周期的，因此循環周期中保持高電平的時間為60 ns。通過將該程序放在H0 SARAM中進行調試可得GPIOA0的波形,如圖6所示。其中高電平時間正好為60 ns，而由于3個低電平之后要進行跳轉，要清空流水線，而且還要為乘法做準備，因此保持低電平的時間比圖5所需的時間要長。當采用數字式示波器觀察時，如果探頭采用×1檔觀察的波形不是很理想，則可以采用×10檔,并配合調節探頭的補償旋鈕。

圖6 TMS320F2812中GPIOA0的波形2

4、 三種微處理器的比較

首先要強調的是,這幾種微控制器都可以通過提高晶振的振蕩頻率來縮短指令周期，但是這些控制器的振蕩頻率是有一定限制的，例如單片機不超過40 MHz，而LPC2114的頻率不超過60 MHz，TMS320F2812的最高頻率為150 MHz。在同樣的工作頻率下，ARM指令運行的指令周期遠遠高于傳統的單片機。因為傳統的單片機沒有采用流水線機制，而ARM核和DSP都采用了流水線，但是由于訪問外設和RAM等存儲器要加一定的時鐘周期，因此ARM不是真正可以實現單周期運行的，特別是不能實現單周期的乘法指令，而DSP可以實現真正的單周期乘法指令，速度要遠遠高于ARM微控制器。