RISC-V (CH32V103)与Cortex-M3内核(CH32F103)单片机中断延时测评
【来源：CSDN】最近在学习RISC-V架构的MCU，特地学习了一下“中断处理机制”，对比之前使用过的Cortex-M3内核单片机，研究它们在中断执行和处理上的差异和效率。
样品选择CH32V103C8T6 和 CH32F103C8T6
[*]CH32V103C8T6，沁恒微电子的RSIC-V架构32位通用型MCU，支持IMAC指令集，内置PFIC中断控制器。PFIC是该公司自研设计的结构，所以用法上有独自的特色，部分功能还需搭配软件平台（推荐MRS IDE）实现。
[*]CH32F103C8T6，Cortex-M3内核32位通用型MCU，内置NVIC中断控制器。资源及软件工具兼容市场上主流的设备（如Keil、Link等）。测试方法中断延迟（响应）时间，即从中断触发条件产生到执行中断服务（用户代码）的时间。
方法：使用芯片自带的定时器资源，通过定时器具有的自动重加载功能，无需软件代码参与。设置一个1000周期并且计数递减的定时器，当定时器当前计数值由1变为0时，会触发硬件中断同时定时器本身也会重加载计数器值为1000继续递减工作，MCU内核系统在一系列操作后最终执行定时器的中断服务程序。在此服务程序开头进行当前定时器计数值的保存，然后关闭定时器，输出保持的数值，清除中断标志。通过换算与1000的差值，得到的就是大概的中断响应时间（其实这个时间应该再减去对计数值保存的指令代码，后面会提到）。
为了单纯测试内核设计，排除其他因素影响，我们采用较低的频率，以时钟周期为单位进行测试计算。因为在此测试过程中，会涉及MCU内部的内核中断处理逻辑、flash读取（代码指令）、数据操作（SRAM）等几个大方面，其中flash有等待周期，可能不同的硬件平台结果不一样，所以使用较低的主频，可以降低非内核处理的其他因素影响结果测试硬件平台CH32F103开发板，下载最新EVT包，进行代码修改。使用Keil编译器C代码，如下：#include "debug.h"
/*******************************************************************************
* Function Name: TIM1Init
* Description :
* Input : None
* Return : None
*******************************************************************************/
void TIM1Init(void)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDefTimeBase_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE );
TimeBase_InitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TimeBase_InitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Down;
TimeBase_InitStructure.TIM_Period = 1000;
TimeBase_InitStructure.TIM_Prescaler = 0;
TIM1->CNT = 1000;
TIM_TimeBaseInit( TIM1, &TimeBase_InitStructure );
TIM_ClearITPendingBit( TIM1, 0X0FF);
TIM_ITConfig( TIM1, TIM_IT_Update, ENABLE );
NVIC_EnableIRQ( TIM1_UP_IRQn );
TIM_Cmd( TIM1, ENABLE );
}
/*******************************************************************************
* Function Name: main
* Description : Main program.
* Input : None
* Return : None
*******************************************************************************/
unsigned short cnt;
int main(void)
{
RCC_ClocksTypeDefClocks_InitStructure;
Delay_Init();
USART_Printf_Init(115200);
RCC_GetClocksFreq( &Clocks_InitStructure );
printf("HCLK:%d\r\n",Clocks_InitStructure.SYSCLK_Frequency);
printf("APB2Clk:%d\r\n",Clocks_InitStructure.PCLK2_Frequency);
printf("APB1Clk:%d\r\n",Clocks_InitStructure.PCLK1_Frequency);
Delay_Ms( 200 );
TIM1Init();
while(1)
{
;
}
}
void TIM1_UP_IRQHandler(void)
{
cnt = TIM1->CNT;
TIM_Cmd( TIM1, DISABLE );
printf("#%d\n",cnt);
if(TIM_GetFlagStatus( TIM1, TIM_FLAG_Update )!=RESET)
{
TIM_ClearITPendingBit( TIM1, TIM_IT_Update ); /* Clear Flag */
}
}
中断部分进行反汇编，如下： TIM1_UP_IRQHandler PROC
;;;63 void TIM1_UP_IRQHandler(void)
00008eb570 PUSH {r4-r6,lr}
;;;64 {
;;;65 cnt = TIM1->CNT;
000090480d LDR r0,|L1.200|
0000928800 LDRH r0,
0000944c19 LDR r4,|L1.252|
;;;66 TIM_Cmd( TIM1, DISABLE );
0000964d0c LDR r5,|L1.200|
0000982100 MOVS r1,#0
00009a8020 STRH r0, ;65
00009c3d24 SUBS r5,r5,#0x24
00009e4628 MOV r0,r5
0000a0f7fffffe BL TIM_Cmd
;;;67 printf("#%d\n",cnt);
0000a48821 LDRH r1,; cnt
0000a6a016 ADR r0,|L1.256|
0000a8f7fffffe BL __2printf
;;;68
;;;69 if(TIM_GetFlagStatus( TIM1, TIM_FLAG_Update )!=RESET)
0000ac2101 MOVS r1,#1
0000ae4628 MOV r0,r5
0000b0f7fffffe BL TIM_GetFlagStatus
0000b42800 CMP r0,#0
0000b6d005 BEQ |L1.196|
;;;70 {
;;;71 TIM_ClearITPendingBit( TIM1, TIM_IT_Update ); /* Clear Flag */
0000b84628 MOV r0,r5
0000bae8bd4070 POP {r4-r6,lr}
0000be2101 MOVS r1,#1
0000c0f7ffbffe B.W TIM_ClearITPendingBit
|L1.196|
;;;72 }
;;;73 }
0000c4bd70 POP {r4-r6,pc}
;;;74
ENDP
代码中大部分使用的驱动库编写方式，但在定时中断服务函数中获取当前定时器值采用寄存器访问方式，为了减少代码指令，快速访问到。还需注意，使用“TIM_TimeBaseInit()”函数体，完成后会立刻产生中断标志，所以在开启中断使能前要清除中断标志，否则测试的值不对。运行结果
从串口打印结果上可以看到，输出当前计数值为980，那么可以预估在中断服务中获取到计数器的差值时间为20个系统周期。看下汇编代码（下图），已提取了有效信息并做解释。
从图上的解释可以看到，在‘5’时，将“TIM1->CNT”寄存器的值保存到全局变量的“cnt”中，但是在步骤‘3’时，已经拿到了“TIM1->CNT”寄存器的值。所以最终差值结果的20个周期时间是中断延迟时间+汇编“1-3”指令执行时间。
我没有在相关手册内部找到关于M3指令执行时间的具体说明，按一般设计，这种汇编指令执行需要2-3个周期，所以我推断上述中断服务的汇编指令大约占用了8个周期，那么实际的中断延迟大约占用了12个周期。硬件平台CH32V103开发板，下载最新EVT包，进行代码修改。此颗MCU是RISC-V架构，所以选择了MounRiver Studio IDE环境进行编译，源代码部分和CH32F103一样可以保持不变。沁恒为代码兼容做了处理，大部分都可以使用F103上的函数名称和写法。因为更换了硬件和软件平台，中断的写法有稍微区别，书写一个中断服务函数时，需要为其声明中断属性，即在函数名前添加__attribute__((interrupt()))（原生工具链），这样IDE在进行编译时，会将此函数体识别为中断服务函数，主动添加“压栈出栈”处理及中断返回指令。C代码，如下：#include "debug.h"
/*******************************************************************************
* Function Name: TIM1Init
* Description :
* Input : None
* Return : None
*******************************************************************************/
void TIM1Init(void)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDefTimeBase_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE );
TimeBase_InitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TimeBase_InitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Down;
TimeBase_InitStructure.TIM_Period = 1000;
TimeBase_InitStructure.TIM_Prescaler = 0;
TIM1->CNT = 1000;
TIM_TimeBaseInit( TIM1, &TimeBase_InitStructure );
TIM_ClearITPendingBit( TIM1, 0X0FF);
TIM_ITConfig( TIM1, TIM_IT_Update, ENABLE );
NVIC_EnableIRQ( TIM1_UP_IRQn );
TIM_Cmd( TIM1, ENABLE );
}
/*******************************************************************************
* Function Name: main
* Description : Main program.
* Input : None
* Return : None
*******************************************************************************/
unsigned short cnt;
int main(void)
{
RCC_ClocksTypeDefClocks_InitStructure;
Delay_Init();
USART_Printf_Init(115200);
RCC_GetClocksFreq( &Clocks_InitStructure );
printf("HCLK:%d\r\n",Clocks_InitStructure.SYSCLK_Frequency);
printf("APB2Clk:%d\r\n",Clocks_InitStructure.PCLK2_Frequency);
printf("APB1Clk:%d\r\n",Clocks_InitStructure.PCLK1_Frequency);
Delay_Ms( 200 );
TIM1Init();
// NVIC_SetFastIRQ( TIM1_UP_IRQHandler, TIM1_UP_IRQn, 0);
while(1)
{
;
}
}
__attribute__((interrupt()))
void TIM1_UP_IRQHandler(void)
{
cnt = TIM1->CNT;
TIM_Cmd( TIM1, DISABLE );
printf("#%d\n",cnt);
if(TIM_GetFlagStatus( TIM1, TIM_FLAG_Update )!=RESET)
{
TIM_ClearITPendingBit( TIM1, TIM_IT_Update ); /* Clear Flag */
}
}
中断部分进行反汇编，如下：00000286 <TIM1_UP_IRQHandler>:
286: 715d addi sp,sp,-80
288: de22 sw s0,60(sp)
28a: 40013437 lui s0,0x40013
28e: d03e sw a5,32(sp)
290: c2445783 lhu a5,-988(s0) # 40012c24 <_eusrstack+0x2000dc24>
294: c0040413 addi s0,s0,-1024
298: dc26 sw s1,56(sp)
29a: da2a sw a0,52(sp)
29c: d82e sw a1,48(sp)
29e: 4581 li a1,0
2a0: 8522 mv a0,s0
2a2: c686 sw ra,76(sp)
2a4: c496 sw t0,72(sp)
2a6: c29a sw t1,68(sp)
2a8: c09e sw t2,64(sp)
2aa: d632 sw a2,44(sp)
2ac: d436 sw a3,40(sp)
2ae: d23a sw a4,36(sp)
2b0: ce42 sw a6,28(sp)
2b2: cc46 sw a7,24(sp)
2b4: ca72 sw t3,20(sp)
2b6: c876 sw t4,16(sp)
2b8: c67a sw t5,12(sp)
2ba: c47e sw t6,8(sp)
2bc: 82f19023 sh a5,-2016(gp) # 20000090 <cnt>
2c0: 2e79 jal 65e <TIM_Cmd>
2c2: 8201d583 lhu a1,-2016(gp) # 20000090 <cnt>
2c6: 00002537 lui a0,0x2
2ca: a0850513 addi a0,a0,-1528 # 1a08 <_sbrk+0x20>
2ce: 23cd jal 8b0 <iprintf>
2d0: 4585 li a1,1
2d2: 8522 mv a0,s0
2d4: 2e75 jal 690 <TIM_GetFlagStatus>
2d6: c501 beqz a0,2de <TIM1_UP_IRQHandler+0x58>
2d8: 4585 li a1,1
2da: 8522 mv a0,s0
2dc: 26c1 jal 69c <TIM_ClearITPendingBit>
2de: 5472 lw s0,60(sp)
2e0: 40b6 lw ra,76(sp)
2e2: 42a6 lw t0,72(sp)
2e4: 4316 lw t1,68(sp)
2e6: 4386 lw t2,64(sp)
2e8: 54e2 lw s1,56(sp)
2ea: 5552 lw a0,52(sp)
2ec: 55c2 lw a1,48(sp)
2ee: 5632 lw a2,44(sp)
2f0: 56a2 lw a3,40(sp)
2f2: 5712 lw a4,36(sp)
2f4: 5782 lw a5,32(sp)
2f6: 4872 lw a6,28(sp)
2f8: 48e2 lw a7,24(sp)
2fa: 4e52 lw t3,20(sp)
2fc: 4ec2 lw t4,16(sp)
2fe: 4f32 lw t5,12(sp)
300: 4fa2 lw t6,8(sp)
302: 6161 addi sp,sp,80
304: 30200073 mret
根据沁恒微电子对其芯片的描述，提供了“中断硬件级的压栈和出栈处理”，所以上段描述的编译软件自动添加“压栈出栈”指令就显得多余了。所以该公司修改了原生工具链（GCC提供的RISC-V工具链），通过在中断服务函数前添加__attribute__((interrupt("WCH-Interrupt-fast")))，取消软件添加压栈出栈指令。//__attribute__((interrupt()))
__attribute__((interrupt("WCH-Interrupt-fast")))
void TIM1_UP_IRQHandler(void)
{
cnt = TIM1->CNT;
TIM_Cmd( TIM1, DISABLE );
printf("#%d\n",cnt);
if(TIM_GetFlagStatus( TIM1, TIM_FLAG_Update )!=RESET)
{
TIM_ClearITPendingBit( TIM1, TIM_IT_Update ); /* Clear Flag */
}
}
00000286 <TIM1_UP_IRQHandler>:
286: 1141 addi sp,sp,-16
288: c622 sw s0,12(sp)
28a: 40013437 lui s0,0x40013
28e: c2445783 lhu a5,-988(s0) # 40012c24 <_eusrstack+0x2000dc24>
292: c0040413 addi s0,s0,-1024
296: c426 sw s1,8(sp)
298: 4581 li a1,0
29a: 8522 mv a0,s0
29c: 82f19023 sh a5,-2016(gp) # 20000090 <cnt>
2a0: 2ebd jal 61e <TIM_Cmd>
2a2: 8201d583 lhu a1,-2016(gp) # 20000090 <cnt>
2a6: 00002537 lui a0,0x2
2aa: 9c850513 addi a0,a0,-1592 # 19c8 <_sbrk+0x20>
2ae: 23c9 jal 870 <iprintf>
2b0: 4585 li a1,1
2b2: 8522 mv a0,s0
2b4: 2e71 jal 650 <TIM_GetFlagStatus>
2b6: c501 beqz a0,2be <TIM1_UP_IRQHandler+0x38>
2b8: 4585 li a1,1
2ba: 8522 mv a0,s0
2bc: 2645 jal 65c <TIM_ClearITPendingBit>
2be: 4432 lw s0,12(sp)
2c0: 44a2 lw s1,8(sp)
2c2: 0141 addi sp,sp,16
2c4: 30200073 mret
运行结果，以__attribute__((interrupt("WCH-Interrupt-fast")))结果如下：从串口打印结果上可以看到，输出当前计数值为986，预估中断服务中获取到计数器的差值时间为14个系统周期。看下汇编代码（下图），已提取了有效信息并做解释。从上图的反汇编过程，我们可以看到屏蔽了软件压栈后RISC-V结构的中断处理过程。首次通过2条指令（1-2）处理sp堆栈保存。当前函数使用的Callee属性寄存器越多，调用“sw”保存的越多。然后获取外设寄存器基地址到内部s0寄存器中（3），然后通过“lhu”Load指令将定时器当前计数值寄存器的值保存到a5寄存器中，直到图上5处才写入到全局变量cnt中。所以最终结果的14个周期差值时间应该是中断延迟时间+汇编“1-4”指令执行时间。按照沁恒给出的设计指标，2和4执行各占用2周期，其他占用1个周期，那么汇编执行占用约6个周期，中断延迟时间约为8个周期。CH32V103还提供了4路快速中断通道，即中断触发不从向量表取指令，而是直接到中断服务入口，少一次指令跳转。软件代码上在初始化配置上，增加“NVIC_SetFastIRQ(TIM1_UP_IRQHandler,TIM1_UP_IRQn,0)”，将定时器1的中断服务入口配置到快速通道0上。（注意，这种方法没有限制中断服务的位置，可以在SRAM区也可以在Code区，如果为了提供更快的指令执行速度，可以将中断服务放入SRAM区，再配置给快速通道，而不用修改中断向量表基地址），如下运行结果：从串口打印结果上可以看到，输出当前计数值为988，快速通道方法比前一种情况速度又快了2个周期，仅需12个系统周期。
总结通过Cortex-M3指南描述，当CM3开始响应一个中断时，会同步进行3项工作。1.入栈，将8个内部寄存器通过硬件自动保存到SRAM中；2.取向量，从向量表中找到对应的服务程序入口地址；3.选择堆栈指针，更新堆栈指针sp、LR寄存器、PC计数器。其中应该属于第一项工作花费时间最长，需要多个周期才能完成数据保存，但是由于采用不同的总线，所以几项工作可以同步执行。所以文档中描述“中断延迟”为：若存储器系统够快，且总线系统允许入栈与取指同时进行，同时该中断可以立即响应，则中断延迟是雷打不动的12周期（满足硬实时所要求的确定性）
而沁恒的RISC-V架构中，一般的中断方式，我们实验测得“中断延迟”约为8个周期，据其设计描述，入栈采用的硬件存储方式，仅需要1个周期就可以完成，剩下的时间包括内核中断挂起、取向量表指令、跳转等时间需要5-6个周期。
2种内核架构使用的是不同的中断处理结构，在时间上沁恒RISC-V中断延迟处理更优，没有入栈存储器的动作也意味着没有存储器出栈的动作，可以完成中断服务内容后更快的返回。以上是单独针对“内核中断延迟”性能方面的比较，但是实际应用中，需要从存储器中取指，如果存储器太慢而引入等待周期或者还有其他因素，则会引入额外的延时，导致整体效果变慢。此外，测试单位是以系统时钟计算，如果单位时间足够的快，貌似几个周期的差值时间似乎没有那么明显，但是高的系统频率会带来存储器的等待延时周期加大或者其他因素，反而降低代码效率，所以不能以单个方面的好评估，具体还是要看应用场景和需求选择合适的MCU产品。
赞一个。
这种研究精神，值得赞一个。 所以，如果不打开硬件中断，实际上risc-v的中断延迟比arm大得多。
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