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本文就如何提高單片機(jī)的運(yùn)行速度與讀者們展開探討。 1 問題的提出 1.1 硬件技術(shù)背景 單片機(jī)的頻率越來越高，RAM的訪問速度也來也快，但單片機(jī)系統(tǒng)的效率并不一定成比例的提高。 目前，使用的主流單片機(jī)有80386EX(50MHz，外部地址/數(shù)據(jù)總線16位)、MPC860T(66MHz，外部地址/數(shù)據(jù)總線32位)以及DS80C32(25MHz，外部地址/數(shù)據(jù)總線8位)；使用的SDRAM有HY57系列、K416系列(訪問速度100MHz或133MHz)；使用的SRAM 如IDT71024、IDT7256(50MHz)；使用的Flash有AT29C512、SST39VF040、AT29C010(8MHz或15MHz)等。可見，SDRAM，SRAM的速度和單片機(jī)是匹配的，甚至比單片機(jī)的速度更快一點(diǎn)，不需要單片機(jī)插入等待狀態(tài)。而flash的訪問頻率則比單片機(jī)慢2~6倍，單片機(jī)往往要通過插入多個(gè)等待狀態(tài)來和它相匹配，況且Flash多為8位，而當(dāng)前單片機(jī)多為16，32位，更多的降低了單片機(jī)的工作性能。 根據(jù)上述分析，如果提高Flash的訪問速度，擴(kuò)展Flash為16位或32位，那么程序執(zhí)行的速度就快了，單片機(jī)的性能也就提高了。如果能夠?qū)⑦@一想法變成事實(shí)，而且成本低廉的話，那是最好不過的事情。事實(shí)上，可以將8位的Flash擴(kuò)展為16位、甚至32位，但要付出2~4倍的成本。由于Flash結(jié)構(gòu)及工藝原因，在目前不可能有高達(dá)66MHz的商用化且價(jià)格低廉的Flash。所以，只能通過其它方式來提升單片機(jī)的運(yùn)行速度。 1.2 軟件技術(shù)背景 首先，看看傳統(tǒng)單片機(jī)程序的運(yùn)行原理，為了便于說明，假定硬件平臺(tái)為860T，時(shí)鐘為50MHz；SDRAM空間4M×32bit，地址范圍從0x00000000~0x00FFFFFF，訪問時(shí)間10ns；Flash空間512K×8bit，訪問時(shí)間為100ns,地址范圍從0x02800000~0x0287FFFF(至于其它單片機(jī)，運(yùn)行原理大致相同，可以類推)。860T在上電后，PC(Program Counter)=0x2800100，程序從PC指定的地方執(zhí)行，首先執(zhí)行初始化代碼(BootCode)，再執(zhí)行主程序(AppCode)。程序從Flash中讀取指令(code)，來完成數(shù)據(jù)的傳輸——可能是SDRAM和內(nèi)部寄存器的傳輸，SDRAM之間的傳輸，SDRAM和外設(shè)的傳輸，中斷處理等各項(xiàng)工作。可見在程序運(yùn)行時(shí)，很大一部分時(shí)間是從Flash中讀取指令，而這個(gè)過程是很費(fèi)時(shí)間的。以假定的860T硬件平臺(tái)為例，因?yàn)镕lash訪問時(shí)間為100ns，所以讀一條指令的時(shí)間至少是100ns，也就是說860T讀一條指令的時(shí)候要等待100ns。(指令cache通過預(yù)取指令的方式，可以使實(shí)際取指令時(shí)間短一些，但這種方法的效果并不明顯，況且很多單片機(jī)還沒有指令cache。) 860T平臺(tái)的內(nèi)存分配如圖1所示。 
圖1 傳統(tǒng)單片機(jī)的內(nèi)存分配模式 2 將代碼從Flash搬運(yùn)到SDRAM中的原理 通過上述分析，初始化代碼BootCode只在程序啟動(dòng)的時(shí)候執(zhí)行，就是慢一點(diǎn)，也可以接受。真正影響性能的是主程序(AppCode)，因?yàn)檫@里的代碼在不停的重復(fù)執(zhí)行，如果可以縮短它的取指令時(shí)間，則單片機(jī)的空閑時(shí)間將大大減少，性能也就提高了很多。SDRAM的速度比較快，如果將代碼搬運(yùn)到SDRAM中，取指令時(shí)間就減少了很多；而且SDRAM空間大，不會(huì)因?yàn)榇a占用了一部分空間而影響性能。但這不僅僅是簡單的搬運(yùn)過程，有物理存儲(chǔ)器地址的變化牽涉在這個(gè)過程中。將軟件源代碼轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行的二進(jìn)制映像包括三個(gè)步驟：首先，每一個(gè)源文件都必須被編譯或匯編到一個(gè)目標(biāo)文件(object file)；第二步，所有的目標(biāo)文件要連接成一個(gè)目標(biāo)文件，它叫可重定位程序(relocation program)；最后，在一個(gè)稱為重定址(relocation)的過程中，要把物理存儲(chǔ)器地址指定給可重定位程序里的每個(gè)相對(duì)偏移處，生成一個(gè)可執(zhí)行的二進(jìn)制映像文件。如果在Flash中運(yùn)行，則所有的物理存儲(chǔ)器地址應(yīng)該在Flash的地址空間中。如果要在RAM中運(yùn)行，則所有的物理存儲(chǔ)器地址應(yīng)該在Flash的地址空間之中。也就是說，如果要使從Flash中搬運(yùn)到SDRAM中的代碼可用，則必須改變被搬運(yùn)代碼的物理存儲(chǔ)器地址。 3 搬運(yùn)代碼的實(shí)現(xiàn)方法 下面結(jié)合假定的硬件平臺(tái)，詳細(xì)描述物理存儲(chǔ)器地址重定位，代碼搬運(yùn)的原理及過程。我們編寫兩個(gè)c文件——RomTool.c、RAMapp.c。 RomTool.c完成860T初始化，SDRAM的刷新，中斷及外設(shè)的初始化；Flash到SDRAM的代碼搬運(yùn)驅(qū)動(dòng)模塊及跳轉(zhuǎn)模塊。對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制映像文件為RomTool.bin。 RAMapp.c是實(shí)際的應(yīng)用程序, 對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制映像文件為RAMapp .bin。RAMapp.bin被搬運(yùn)后在SDRAM中運(yùn)行。 3.1 物理存儲(chǔ)器地址映射規(guī)則 RomTool.c的物理地址映射規(guī)則為：數(shù)據(jù)放在起始為0x3000，大小為0xf0000的SDRAM空間里；代碼被燒結(jié)在起始為0x02800000，大小為0x10000的Flash空間里，不會(huì)被搬運(yùn)，也在該空間里運(yùn)行。 所以在RomTool.lnx中指定的定位規(guī)則也應(yīng)該是這個(gè)地址范圍，如下： MEMORY { ram1: ORIGIN = 0x00003000, LENGTH = 0xf000 flash: ORIGIN = 0x02800000, LENGTH = 0x1000 } SECTIONS { .data : {} > ram1 .text : {} > flash } RamApp.c的物理地址映射規(guī)則為： 數(shù)據(jù)放在起始為0x3000，大小為0xf0000的空間里；代碼被燒結(jié)在起始為0x02810000，大小為0x70000的Flash中，它要被搬運(yùn)到起始為0x00F00000，大小為0x70000的SDRAM空間里，即RamApp.Bin實(shí)際在SDRAM中運(yùn)行。 所以，在RamApp.lnx中指定的定位規(guī)則應(yīng)該在SDRAM中，如下： MEMORY { ram1: ORIGIN = 0x00003000, LENGTH = 0xf000 ram: ORIGIN = 0x00F00000, LENGTH = 0x7000 } SECTIONS { .data : {} > ram1 .text : {} > ram } 最后，在860單片機(jī)系統(tǒng)的地址映射規(guī)則如圖2所示。對(duì)照?qǐng)D1，可以觀察到這和傳統(tǒng)的程序地址映射有很大不同。
圖2 地址映射表 3.2 搬運(yùn)的過程 860T上電復(fù)位，RomTool.bin首先被執(zhí)行，完成初始化工作后，運(yùn)行代碼搬運(yùn)函數(shù)，將RAMapp.bin搬運(yùn)到SDRAM中，隨后改變PC(Program Counter)的值，無條件轉(zhuǎn)移到SDRAM中運(yùn)行RAMapp.bin，如圖3所示。
圖3 從Flash到SDRAM搬運(yùn)代碼的過程 3.3 搬運(yùn)代碼的驅(qū)動(dòng)模塊及跳轉(zhuǎn)模塊源代碼 (1)搬運(yùn)代碼驅(qū)動(dòng)模塊的代碼 void MoveCodeF_to_RAM(UWORD *FlashCode_Add, UWORD *RamCode_Add,UWORD CodeLen) { do{ *RamCode_Add++ = *FlashCode_Add++; CodeLen? } while ( CodeLen!=0) } 該段代碼是將開始地址為FlashCode_Add，長度為CodeLen的Flash代碼搬運(yùn)到開始地址為RamCode_Add，長度為CodeLen的SDRAM 中。 (2)主函數(shù)及跳轉(zhuǎn)模塊 #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 ); # 跳轉(zhuǎn)模塊 asm(“addis r2,0,0x00f0”); asm(“ori r2,r2,0x0000”); # 代碼起始地址0x00f00000 asm(“mtspr LR,r2”); asm(“bclr 20,0”); # 無條件轉(zhuǎn)跳到鏈接寄存器 # (LR)中的地址 } FlashCode_Add_V：被搬運(yùn)代碼的首地址，在Flash中。 RamCode_Add_V：被搬運(yùn)代碼的目標(biāo)地址，在RAM中。 CodeLen_V：被搬運(yùn)代碼的長度，按32位計(jì)算。 該函數(shù)在調(diào)用代碼搬運(yùn)MoveCodeF_to_RAM函數(shù)，將代碼從Flash搬運(yùn)到SDRAM中后，將程序指針轉(zhuǎn)移到SDRAM中。注意跳轉(zhuǎn)的地址一定要和RamCode_Add_V一致。 4 小 結(jié) 可見，正確完成代碼搬運(yùn)的關(guān)鍵在于： ① 確定被搬運(yùn)代碼的物理地址映射規(guī)則， 物理地址一定是在SDRAM中； ② 被搬運(yùn)代碼是被燒結(jié)在Flash中，后來又被搬運(yùn)到SDRAM中； ③ 無條件轉(zhuǎn)移到SDRAM中，運(yùn)行被搬運(yùn)代碼(應(yīng)用程序代碼)。 對(duì)于其它型號(hào)的單片機(jī)，可以根據(jù)該原理類推，方法是一樣的，只是具體的代碼不同而已。相信你的單片機(jī)系統(tǒng)在經(jīng)過這樣的處理后，效率一定會(huì)高很多。 |
