时钟周期,总线周期详细说明

时钟周期:

时钟周期也称为振荡周期,定义为时钟脉冲的倒数(可以这样来理解,时钟周期就是单片机外接晶振的倒数,例如12M的晶振,它的时间周期就是1/12 us),是计算机中最基本的、最小的时间单位。

在一个时钟周期内,CPU仅完成一个最基本的动作。对于某种单片机,若采用了1MHZ的时钟频率,则时钟周期为1us;若采用4MHZ的时钟频率,则时钟周期为250us。由于时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲,它控制着计算机的工作节奏(使计算机的每一步都统一到它的步调上来)。显然,对同一种机型的计算机,时钟频率越高,计算机的工作速度就越快。

8051单片机把一个时钟周期定义为一个节拍(用P表示),二个节拍定义为一个状态周期(用S表示)。

机器周期:

在计算机中,为了便于管理,常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段,每一阶段完成一项工作。例如,取指令、存储器读、存储器写等,这每一项工作称为一个基本操作。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。一般情况下,一个机器周期由若干个S周期(状态周期)组成。

8051系列单片机的一个机器周期同6个S周期(状态周期)组成。前面已说过一个时钟周期定义为一个节拍(用P 表示),二个节拍定义为一个状态周期(用S表示),8051单片机的机器周期由6个状态周期组成,也就是说一个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期。

例如外接24M晶振的单片机,他的一个机器周期=12/24M 秒;

指令周期:

执行一条指令所需要的时间,一般由若干个机器周期组成。指令不同,所需的机器周期也不同。

对于一些简单的的单字节指令,在取指令周期中,指令取出到指令寄存器后,立即译码执行,不再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令,例如转移指令、乘法指令,则需要两个或者两个以上的机器周期。

通常含一个机器周期的指令称为单周期指令,包含两个机器周期的指令称为双周期指令。

总线周期:

由于存贮器和I/O端口是挂接在总线上的,CPU对存贮器和I/O接口的访问,是通过总线实现的。通常把CPU通过总线对微处理器外部(存贮器或I/O接口)进行一次访问所需时间称为一个总线周期。

总结一下,时钟周期是最小单位,机器周期需要1个或多个时钟周期,指令周期需要1个或多个机器周期;机器周期指的是完成一个基本操作的时间,这个基本操作有时可能包含总线读写,因而包含总线周期,但是有时可能与总线读写无关,所以,并无明确的相互包含的关系。

指令周期:是CPU的关键指标,指取出并执行一条指令的时间。一般以机器周期为单位,分单指令执行周期、双指令执行周期等。现在的处理器的大部分指令(ARM、DSP)均采用单指令执行周期。

机器周期:完成一个基本操作的时间单元,如取指周期、取数周期。

时钟周期:CPU的晶振的工作频率的倒数。

例子:22.1184MHZ的晶振,它的晶振周期、时钟周期和机器周期分别是多少?

以51为例,晶振22.1184M,时钟周期(晶振周期)就是(1/22.1184)μs,一个机器周期包含12个时钟周期,一个机器周期就是0.5425μs。一个机器周期一般是一条指令花费的时间,也有些是2个机器周期的指令,DJNZ,是双周期指令.

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红皮书118页说cpu的操作频率可达60MHZ,这个频率是机器周期还是指令周期?ARM机器周期跟指令周期有什么对应关系?由于ARM采用的是三级流水线的技术,所有的指令执行都由相同的三个阶段取指,译码,执行,那么所有的指令的执行时间是不是都是相同的?

我的理解是:如果ARM不接pll(即ARM直接采用晶振的周期),ARM的机器周期就是晶振的振荡周期,这两个是等同的,所有的指令的执行时间都是相同的,且都等于晶振周期;如果ARM连接并使能pll,则1/Fcclk就是机器周期,指令的执行频率等于Fcclk。请教高手指点更正,多谢!!

zlgarm :

没有机器周期的概念,只有主时钟的概念,它是OLL的输出。如果程序和数据均在片内RAM中,这样计算指令执行时间

1、一般指令需1个主时钟时间

2、每次跳转增加3个主时钟时间(也许是2个,需要确认)

3、从RAM中取一个操作数多增加一个主时钟时间,以次类推

4、保存一个结果到RAM中多增加一个主时钟时间,以次类推

5、访问片内外设,增加一个外设时钟时间

注意伪指令ldr rn,=x需要从ram中取一个操作数。

slump:

如果从FLASH中运行,启动MAM后,当指令不在MAM缓冲中,需用MAMTIM个周期进行MAM预取指。所以程序跳转的开销是相当大的。

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8051、ARM和DSP指令周期的测试与分析

本文对三种最具代表性的微控制器(AT89S51单片机、7TDMI核的LPC2114型单片机和TMS320F2812)的指令周期进行了分析和。为了能观察到指令周期,将三种控制器的GPIO口设置为数字输出口,并采用循环不断地置位和清零,通过观察GPIO口的波形变化得到整个循环的周期。为了将整个循环的周期与具体的每一条指令的指令周期对应起来,通过C语言源程序得到汇编语言指令来计算每一条汇编语言的指令周期。

1 AT89S51工作机制及指令周期的

AT89S51单片机的时钟采用内部方式,时钟发生器对振荡脉冲进行2分频。由于时钟周期为振荡周期的两倍(时钟周期=振荡周期P1+振荡周期P2),而1个机器周期含有6个时钟,因此1个机器周期包括12个晶振的振荡周期。取石英晶振的振荡频率为11.059 2 MHz,则单片机的机器周期为12/11.059 2=1.085 1 μs。51系列单片机的指令周期一般含1~4个机器周期,多数指令为单周期指令,有2周期和4周期指令。

为了观察指令周期,对单片机的P1口的最低位进行循环置位操作和清除操作。源程序如下:

#include

main() {

while(1) {

P1=0x01;

P1=0x00;

}

}

采用KEIL uVISION2进行编译、链接,生成可执行文件。当调用该集成环境中的Debug时,可以得到上述源程序混合模式的反汇编代码:

2:main()

3: {

4:while(1)

5:{

6:P1=0x01;

0x000F759001MOVP1(0x90),#0x01

7:P1=0x00;

0x0012 E4CLRA

0x0013 F590MOVP1(0x90),A

8:}

0x001580EDSJMPmain (C:0003)

其中斜体的代码为C源程序,正体的代码为斜体C源程序对应的汇编语言代码。每行汇编代码的第1列为该代码在器中的位置,第2列为机器码,后面是编译、链接后的汇编语言代码。所有指令共占用6个机器周期(其中“MOV

P1(0x90),#0x01”占用2个机器周期,“CLR A”和“MOV P1(0x90),A”各占用1个机器周期,最后一个跳转指令占用2个机器周期),则总的循环周期为6×机器周期=6×1.085 1 μs=6.51 μs。

图1 P1口最低位的波形

将编译、链接生成的可执行文件到AT89S51的Flash中执行可以得到P1口最低位的波形,如图1所示。整个循环周期为6.1 μs,与上面的分析完全一致。

2 LPC2114工作机制及指令周期的测试

LPC2114是基于ARM7TDMI核的可加密的单片机,具有零等待128 KB的片内Flash,16 KB的SRAM。时钟频率可达60 MHz(晶振的频率为11.059 2 MHz,时钟频率设置为11.059 2×4 =44.236 8 MHz,片内外设频率为时钟频率的1/4,即晶振的频率)。7TDMI核通过使用三级流水线和大量使用内部寄存器来提高指令流的执行速度,能提供0.9 MIPS/MHz的指令执行速度,即指令周期为1/(0.9×44.236 8)=0.025 12 μs,约为25 ns。

为了观察指令周期,将LPC2114中GPIO的P0.25脚设置为输出口,并对其进行循环的置位操作和清除操作。C 源程序如下:

#include"config.h"

//P0.25引脚输出

#defineLEDCON0x02000000

intmain(void)

{//设置所有引脚连接GPIO

PINSEL0 = 0x00000000;

PINSEL1 = 0x00000000;

//设置LED4控制口为输出

IO0DIR = LEDCON;

while(1)

{IO0SET = LEDCON;

IO0CLR = LEDCON;

}

return(0);

}

采用ADS1.2进行编译、链接,生成可执行文件。当调用AXD Debugger时,可以得到上述源程序的反汇编代码:main[0xe59f1020]ldrr1,0x40000248

40000224[0xe3a00000]movr0,#0

40000228[0xe5810000]strr0,[r1,#0]

4000022c[0xe5810004]strr0,[r1,#4]

40000230[0xe3a00780]movr0,#0x2000000

40000234[0xe1c115c0]bicr1,r1,r0,asr #11

40000238[0xe5810008]strr0,[r1,#8]

4000023c[0xe5810004]strr0,[r1,#4]

40000240[0xe581000c]strr0,[r1,#0xc]

40000244[0xeafffffc]b0x4000023c

40000248[0xe002c000]dcd0xe002c000

每行汇编代码的第1列为该代码在器中的位置,第2列为机器码,后面是编译、链接后的汇编语言代码。循环部分的语句最关键的就是下面3句:

4000023c[0xe5810004]strr0,[r1,#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:①ARM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基于核的微控制器只有加载、存储和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。[资源来自"岁月联盟"]

本文来自"岁月联盟"

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;

}

}

图4 GPIO的P0.25脚输出波形3

其中最重要的是要对通用输入/输出进行初始化和确定系统CPU时钟。其中系统的时钟通过PLL设定为100 MHz,而初始化InitGpio() 的源程序为:

#include "DSP28_Device.h"

void InitGpio(void)

{ EALLOW;

//多路复用器选为数字I/O

GpioMuxRegs.GPAMUX.all=0x0000;

//GPIOAO为输出,其余为输入

GpioMuxRegs.GPADIR.all=0x0001;

GpioMuxRegs.GPAQUAL.all=0x0000;

EDIS;

}

通过在主程序for(;;)的地方加断点,可以很容易找到上面主程序中循环部分程序编译后的汇编指令:

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列为程序在RAM中的位置,第2列为机器码,后面就是汇编语言程序。指令“MOV @32,#0xFFFF”使GPIO 输出高电平,指令“MOV @32,#0”使GPIO输出低电平。其中含有6个使GPIOA0输出高电平的指令和3个使GPIOA0输出低电平的指令,系统的指令周期为10 ns,因此循环周期中保持高电平的时间为60 ns。通过将该程序放在H0 SARAM 中进行调试,可得GPIOA0的波形,如图5所示。其中高电平时间正好为60 ns。注意,由于3个低电平之后要进行跳转,故清空流水线的周期要长一些。

["岁月联盟"提供]

图5 TMS320F2812中GPIOA0的波形1

为了观察乘法指令的周期,将上述循环部分的C源程序修改为:

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;

}

上述程序经过编译、链接后的汇编指令如下:

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为高电平的指令仍然为6个指令周期(其中包括1个乘法指令),因为乘法指令也是单周期的,因此循环周期中保持高电平的时间为60 ns。通过将该程序放在H0 SARAM中进行调试可得GPIOA0的波形,如图6所示。其中高电平时间正好为60 ns,而由于3个低电平之后要进行跳转,

要清空流水线,而且还要为乘法做准备,因此保持低电平的时间比图5所需的时间要长。当采用数字式示波器观察时,如果探头采用×1档观察的波形不是很理想,则可以采用×10档,并配合调节探头的补偿旋钮。

[来源"岁月联盟"]

图6 TMS320F2812中GPIOA0的波形2

4 三种微处理器的比较

首先要强调的是,这几种微控制器都可以通过提高晶振的振荡频率来缩短指令周期,但是这些控制器的振荡频率是有一定限制的,例如单片机不超过40 MHz,而LPC2114的频率不超过60 MHz,TMS320F2812的最高频率为150 MHz。在同样的工作频率下,ARM指令运行的指令周期远远高于传统的单片机。因为传统的单片机没有采用流水线机制,而ARM核和DSP都采用了流水线,但是由于访问外设和RAM等存储器要加一定的时钟周期,因此ARM不是真正可以实现单周期运行的,特别是不能实现单周期的乘法指令,而DSP可以实现真正的单周期乘法指令,速度要远远高于微控制器

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