讓單片機運行速度更快一些 
 
 
  
慧聰網   2005年1月21日11時47分   信息來源：單片機與嵌入式系統應用    
 
 


 

    本文就如何提高單片機的運行速度與讀者們展開探討。    

1 問題的提出

    1.1 硬件技術背景

    單片機的頻率越來越高，RAM的訪問速度也來也快，但單片機系統的效率并不一定成比例的提高。
　
    目前，使用的主流單片機有80386EX(50MHz，外部地址/數據總線16位)、MPC860T(66MHz，外部地址/數據總線32位)以及DS80C32(25MHz，外部地址/數據總線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的速度和單片機是匹配的，甚至比單片機的速度更快一點，不需要單片機插入等待狀態。而Flash的訪問頻率則比單片機慢2~6倍，單片機往往要通過插入多個等待狀態來和它相匹配，況且Flash多為8位，而當前單片機多為16，32位，更多的降低了單片機的工作性能。

    根據上述分析，如果提高Flash的訪問速度，擴展Flash為16位或32位，那么程序執行的速度就快了，單片機的性能也就提高了。如果能夠將這一想法變成事實，而且成本低廉的話，那是最好不過的事情。事實上，可以將8位的Flash擴展為16位、甚至32位，但要付出2~4倍的成本。由于Flash結構及工藝原因，在目前不可能有高達66MHz的商用化且價格低廉的Flash。所以，只能通過其它方式來提升單片機的運行速度。

    1.2 軟件技術背景

    首先，看看傳統單片機程序的運行原理，為了便于說明，假定硬件平臺為860T，時鐘為50MHz；SDRAM空間4M×32bit，地址范圍從0x00000000~0x00FFFFFF，訪問時間10ns；Flash空間512K×8bit，訪問時間為100ns,地址范圍從0x02800000~0x0287FFFF(至于其它單片機，運行原理大致相同，可以類推)。860T在上電后，PC(Program Counter)=0x2800100，程序從PC指定的地方執行，首先執行初始化代碼(BootCode)，再執行主程序(AppCode)。程序從Flash中讀取指令(code)，來完成數據的傳輸——可能是SDRAM和內部寄存器的傳輸，SDRAM之間的傳輸，SDRAM和外設的傳輸，中斷處理等各項工作?？梢娫诔绦蜻\行時，很大一部分時間是從Flash中讀取指令，而這個過程是很費時間的。以假定的860T硬件平臺為例，因為Flash訪問時間為100ns，所以讀一條指令的時間至少是100ns，也就是說860T讀一條指令的時候要等待100ns。(指令cache通過預取指令的方式，可以使實際取指令時間短一些，但這種方法的效果并不明顯，況且很多單片機還沒有指令cache。)

    860T平臺的內存分配如圖1所示。





2 將代碼從Flash搬運到SDRAM中的原理

    通過上述分析，初始化代碼BootCode只在程序啟動的時候執行，就是慢一點，也可以接受。真正影響性能的是主程序(AppCode)，因為這里的代碼在不停的重復執行，如果可以縮短它的取指令時間，則單片機的空閑時間將大大減少，性能也就提高了很多。SDRAM的速度比較快，如果將代碼搬運到SDRAM中，取指令時間就減少了很多；而且SDRAM空間大，不會因為代碼占用了一部分空間而影響性能。但這不僅僅是簡單的搬運過程，有物理存儲器地址的變化牽涉在這個過程中。將軟件源代碼轉換成可執行的二進制映像包括三個步驟：首先，每一個源文件都必須被編譯或匯編到一個目標文件(object file)；第二步，所有的目標文件要連接成一個目標文件，它叫可重定位程序(relocation program)；最后，在一個稱為重定址(relocation)的過程中，要把物理存儲器地址指定給可重定位程序里的每個相對偏移處，生成一個可執行的二進制映像文件。如果在Flash中運行，則所有的物理存儲器地址應該在Flash的地址空間中。如果要在RAM中運行，則所有的物理存儲器地址應該在Flash的地址空間之中。也就是說，如果要使從Flash中搬運到SDRAM中的代碼可用，則必須改變被搬運代碼的物理存儲器地址。

3 搬運代碼的實現方法

    下面結合假定的硬件平臺，詳細描述物理存儲器地址重定位，代碼搬運的原理及過程。我們編寫兩個c文件——RomTool.c、RAMapp.c。

    RomTool.c完成860T初始化，SDRAM的刷新，中斷及外設的初始化；Flash到SDRAM的代碼搬運驅動模塊及跳轉模塊。對應的二進制映像文件為RomTool.bin。

    RAMapp.c是實際的應用程序, 對應的二進制映像文件為RAMapp .bin。RAMapp.bin被搬運后在SDRAM中運行。

    3.1 物理存儲器地址映射規則

    RomTool.c的物理地址映射規則為：數據放在起始為0x3000，大小為0xf0000的SDRAM空間里；代碼被燒結在起始為0x02800000，大小為0x10000的Flash空間里，不會被搬運，也在該空間里運行。
所以在RomTool.lnx中指定的定位規則也應該是這個地址范圍，如下：

    MEMORY
　　{
　　ram1: ORIGIN = 0x00003000, LENGTH = 0xf000
　　flash: ORIGIN = 0x02800000, LENGTH = 0x1000
　　}
　　SECTIONS
　　{
　　.data : {} > ram1
　　.text : {} > flash
　　}

　　RamApp.c的物理地址映射規則為：

    數據放在起始為0x3000，大小為0xf0000的空間里；代碼被燒結在起始為0x02810000，大小為0x70000的Flash中，它要被搬運到起始為0x00F00000，大小為0x70000的SDRAM空間里，即RamApp.Bin實際在SDRAM中運行。

    所以，在RamApp.lnx中指定的定位規則應該在SDRAM中，如下：

　　MEMORY
　　{
　　ram1: ORIGIN = 0x00003000, LENGTH = 0xf000
　　ram: ORIGIN = 0x00F00000, LENGTH = 0x7000
　　}
　　SECTIONS
　　{
　　.data : {} > ram1
　　.text : {} > ram
　　}

    最后，在860單片機系統的地址映射規則如圖2所示。對照圖1，可以觀察到這和傳統的程序地址映射有很大不同。








    3.2 搬運的過程

    860T上電復位，RomTool.bin首先被執行，完成初始化工作后，運行代碼搬運函數，將RAMapp.bin搬運到SDRAM中，隨后改變PC(Program Counter)的值，無條件轉移到SDRAM中運行RAMapp.bin，如圖3所示。





    3.3 搬運代碼的驅動模塊及跳轉模塊源代碼

    (1)搬運代碼驅動模塊的代碼

    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代碼搬運到開始地址為RamCode_Add，長度為CodeLen的SDRAM 中。

    (2)主函數及跳轉模塊

　　#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”); # 無條件轉跳到鏈接寄存器
　　# (LR)中的地址
　　}
　　FlashCode_Add_V：被搬運代碼的首地址，在Flash中。
　　RamCode_Add_V：被搬運代碼的目標地址，在RAM中。
　　CodeLen_V：被搬運代碼的長度，按32位計算。

    該函數在調用代碼搬運MoveCodeF_to_RAM函數，將代碼從Flash搬運到SDRAM中后，將程序指針轉移到SDRAM中。注意跳轉的地址一定要和RamCode_Add_V一致。

    4 小 結

    可見，正確完成代碼搬運的關鍵在于：

　?、?確定被搬運代碼的物理地址映射規則， 物理地址一定是在SDRAM中；
　?、?被搬運代碼是被燒結在Flash中，后來又被搬運到SDRAM中；
　?、?無條件轉移到SDRAM中，運行被搬運代碼(應用程序代碼)。

    對于其它型號的單片機，可以根據該原理類推，方法是一樣的，只是具體的代碼不同而已。相信你的單片機系統在經過這樣的處理后，效率一定會高很多。