讓單片機(jī)運(yùn)行速度更快一些
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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，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，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(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(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，中斷處理等各項工作。可見在程序運(yùn)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(yù)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(jī)還沒有指令cache。)
860T平臺的內(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只在程序啟動的時候執(zhí)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(fù)執(zhí)行，如果可以縮短它的取指令時間，則單片機(jī)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(yùn)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(yùn)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(zhuǎn)換成可執(zhí)行的二進(jìn)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(biāo)文件(object file)；第二步，所有的目標(biāo)文件要連接成一個目標(biāo)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(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)代碼的物理存儲器地址。
3 搬運(yùn)代碼的實現(xiàn)方法
下面結(jié)合假定的硬件平臺，詳細(xì)描述物理存儲器地址重定位，代碼搬運(yùn)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(shè)的初始化；Flash到SDRAM的代碼搬運(yùn)驅(qū)動模塊及跳轉(zhuǎn)模塊。對應(yīng)的二進(jìn)制映像文件為RomTool.bin。
RAMapp.c是實際的應(yīng)用程序, 對應(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實際在SDRAM中運(yùn)行。
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