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[RISC-V MCU 应用开发] RISC-V (CH32V103)与Cortex-M3内核(CH32F103)单片机中断延时测评

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 楼主| RISCVLAR 发表于 2020-10-27 09:57 | 显示全部楼层 |阅读模式
单片机, Cortex-M3内核, RISC-V, TI, ni
【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：

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    1. #include "debug.h"
      


    2. 

    3. /*******************************************************************************
      

    4. * Function Name  : TIM1Init
      

    5. * Description    : 
      

    6. * Input          : None
      

    7. * Return         : None
      

    8. *******************************************************************************/
      

    9. void TIM1Init(void)
      

    10. {
      

    11.     TIM_TimeBaseInitTypeDef  TimeBase_InitStructure;
      


    12. 

    13.     RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE );
      


    14. 

    15.     TimeBase_InitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
      

    16.     TimeBase_InitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Down;
      

    17.     TimeBase_InitStructure.TIM_Period = 1000;
      

    18.     TimeBase_InitStructure.TIM_Prescaler = 0;
      

    19.     TIM1->CNT = 1000;
      

    20.     TIM_TimeBaseInit( TIM1, &TimeBase_InitStructure );
      

    21.     TIM_ClearITPendingBit( TIM1, 0X0FF);
      


    22. 

    23.     TIM_ITConfig( TIM1, TIM_IT_Update, ENABLE );
      

    24.         NVIC_EnableIRQ( TIM1_UP_IRQn );
      

    25.     TIM_Cmd( TIM1, ENABLE );
      

    26. }
      

    27. /*******************************************************************************
      

    28. * Function Name  : main
      

    29. * Description    : Main program.
      

    30. * Input          : None
      

    31. * Return         : None
      

    32. *******************************************************************************/
      

    33. unsigned short cnt;
      


    34. 

    35. int main(void)
      

    36. {
      

    37.     RCC_ClocksTypeDef  Clocks_InitStructure;
      

    38.     
      

    39.     Delay_Init();
      

    40.     USART_Printf_Init(115200);
      

    41.     RCC_GetClocksFreq( &Clocks_InitStructure );
      

    42.     printf("HCLK:%d\r\n",Clocks_InitStructure.SYSCLK_Frequency);
      

    43.     printf("APB2Clk:%d\r\n",Clocks_InitStructure.PCLK2_Frequency);
      

    44.     printf("APB1Clk:%d\r\n",Clocks_InitStructure.PCLK1_Frequency);
      

    45.     Delay_Ms( 200 );
      

    46.     
      

    47.     TIM1Init();
      

    48.       
      

    49.     while(1)
      

    50.     {        
      

    51.         ;
      

    52.     }
      

    53. }
      

    54. void TIM1_UP_IRQHandler(void)
      

    55. {
      

    56.     cnt = TIM1->CNT;
      

    57.     TIM_Cmd( TIM1, DISABLE );
      

    58.     printf("#%d\n",cnt);    
      

    59.     
      

    60.     if(TIM_GetFlagStatus( TIM1, TIM_FLAG_Update )!=RESET)
      

    61.     {
      

    62.         TIM_ClearITPendingBit( TIM1, TIM_IT_Update );     /* Clear Flag */
      

    63.     }
      

    64. }
    中断部分进行反汇编，如下：
    复制
    1.                  TIM1_UP_IRQHandler PROC
      

    2. ;;;63     void TIM1_UP_IRQHandler(void)
      

    3. 00008e  b570              PUSH     {r4-r6,lr}
      

    4. ;;;64     {
      

    5. ;;;65         cnt = TIM1->CNT;
      

    6. 000090  480d              LDR      r0,|L1.200|
      

    7. 000092  8800              LDRH     r0,[r0,#0]
      

    8. 000094  4c19              LDR      r4,|L1.252|
      

    9. ;;;66         TIM_Cmd( TIM1, DISABLE );
      

    10. 000096  4d0c              LDR      r5,|L1.200|
      

    11. 000098  2100              MOVS     r1,#0
      

    12. 00009a  8020              STRH     r0,[r4,#0]            ;65
      

    13. 00009c  3d24              SUBS     r5,r5,#0x24
      

    14. 00009e  4628              MOV      r0,r5
      

    15. 0000a0  f7fffffe          BL       TIM_Cmd
      

    16. ;;;67         printf("#%d\n",cnt);    
      

    17. 0000a4  8821              LDRH     r1,[r4,#0]  ; cnt
      

    18. 0000a6  a016              ADR      r0,|L1.256|
      

    19. 0000a8  f7fffffe          BL       __2printf
      

    20. ;;;68         
      

    21. ;;;69         if(TIM_GetFlagStatus( TIM1, TIM_FLAG_Update )!=RESET)
      

    22. 0000ac  2101              MOVS     r1,#1
      

    23. 0000ae  4628              MOV      r0,r5
      

    24. 0000b0  f7fffffe          BL       TIM_GetFlagStatus
      

    25. 0000b4  2800              CMP      r0,#0
      

    26. 0000b6  d005              BEQ      |L1.196|
      

    27. ;;;70         {
      

    28. ;;;71             TIM_ClearITPendingBit( TIM1, TIM_IT_Update );     /* Clear Flag */
      

    29. 0000b8  4628              MOV      r0,r5
      

    30. 0000ba  e8bd4070          POP      {r4-r6,lr}
      

    31. 0000be  2101              MOVS     r1,#1
      

    32. 0000c0  f7ffbffe          B.W      TIM_ClearITPendingBit
      

    33.                   |L1.196|
      

    34. ;;;72         }
      

    35. ;;;73     }
      

    36. 0000c4  bd70              POP      {r4-r6,pc}
      

    37. ;;;74     
      

    38.                           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

20201026141013548.png



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。



2020102614125290.png

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：

复制
  1. #include "debug.h"
    

  2. /*******************************************************************************
    

  3. * Function Name  : TIM1Init
    

  4. * Description    :
    

  5. * Input          : None
    

  6. * Return         : None
    

  7. *******************************************************************************/
    

  8. void TIM1Init(void)
    

  9. {
    

  10.     TIM_TimeBaseInitTypeDef  TimeBase_InitStructure;
    


  11. 

  12.     RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE );
    


  13. 

  14.     TimeBase_InitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    

  15.     TimeBase_InitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Down;
    

  16.     TimeBase_InitStructure.TIM_Period = 1000;
    

  17.     TimeBase_InitStructure.TIM_Prescaler = 0;
    

  18.     TIM1->CNT = 1000;
    

  19.     TIM_TimeBaseInit( TIM1, &TimeBase_InitStructure );
    

  20.     TIM_ClearITPendingBit( TIM1, 0X0FF);
    


  21. 

  22.     TIM_ITConfig( TIM1, TIM_IT_Update, ENABLE );
    

  23.         NVIC_EnableIRQ( TIM1_UP_IRQn );
    

  24.     TIM_Cmd( TIM1, ENABLE );
    

  25. }
    

  26. /*******************************************************************************
    

  27. * Function Name  : main
    

  28. * Description    : Main program.
    

  29. * Input          : None
    

  30. * Return         : None
    

  31. *******************************************************************************/
    

  32. unsigned short cnt;
    


  33. 

  34. int main(void)
    

  35. {
    

  36.     RCC_ClocksTypeDef  Clocks_InitStructure;
    


  37. 

  38.     Delay_Init();
    

  39.     USART_Printf_Init(115200);
    

  40.     RCC_GetClocksFreq( &Clocks_InitStructure );
    

  41.     printf("HCLK:%d\r\n",Clocks_InitStructure.SYSCLK_Frequency);
    

  42.     printf("APB2Clk:%d\r\n",Clocks_InitStructure.PCLK2_Frequency);
    

  43.     printf("APB1Clk:%d\r\n",Clocks_InitStructure.PCLK1_Frequency);
    

  44.     Delay_Ms( 200 );
    


  45. 

  46.     TIM1Init();
    

  47. //    NVIC_SetFastIRQ( TIM1_UP_IRQHandler, TIM1_UP_IRQn, 0);
    

  48.     while(1)
    

  49.     {
    

  50.         ;
    

  51.     }
    

  52. }
    

  53. __attribute__((interrupt()))
    

  54. void TIM1_UP_IRQHandler(void)
    

  55. {
    

  56.     cnt = TIM1->CNT;
    

  57.     TIM_Cmd( TIM1, DISABLE );
    

  58.     printf("#%d\n",cnt);
    


  59. 

  60.     if(TIM_GetFlagStatus( TIM1, TIM_FLAG_Update )!=RESET)
    

  61.     {
    

  62.         TIM_ClearITPendingBit( TIM1, TIM_IT_Update );     /* Clear Flag */
    

  63.     }
    

  64. }

中断部分进行反汇编，如下：

复制
  1. 00000286 <TIM1_UP_IRQHandler>:
    

  2.      286:        715d                        addi        sp,sp,-80
    

  3.      288:        de22                        sw        s0,60(sp)
    

  4.      28a:        40013437                  lui        s0,0x40013
    

  5.      28e:        d03e                        sw        a5,32(sp)
    

  6.      290:        c2445783                  lhu        a5,-988(s0) # 40012c24 <_eusrstack+0x2000dc24>
    

  7.      294:        c0040413                  addi        s0,s0,-1024
    

  8.      298:        dc26                        sw        s1,56(sp)
    

  9.      29a:        da2a                        sw        a0,52(sp)
    

  10.      29c:        d82e                        sw        a1,48(sp)
    

  11.      29e:        4581                        li        a1,0
    

  12.      2a0:        8522                        mv        a0,s0
    

  13.      2a2:        c686                        sw        ra,76(sp)
    

  14.      2a4:        c496                        sw        t0,72(sp)
    

  15.      2a6:        c29a                        sw        t1,68(sp)
    

  16.      2a8:        c09e                        sw        t2,64(sp)
    

  17.      2aa:        d632                        sw        a2,44(sp)
    

  18.      2ac:        d436                        sw        a3,40(sp)
    

  19.      2ae:        d23a                        sw        a4,36(sp)
    

  20.      2b0:        ce42                        sw        a6,28(sp)
    

  21.      2b2:        cc46                        sw        a7,24(sp)
    

  22.      2b4:        ca72                        sw        t3,20(sp)
    

  23.      2b6:        c876                        sw        t4,16(sp)
    

  24.      2b8:        c67a                        sw        t5,12(sp)
    

  25.      2ba:        c47e                        sw        t6,8(sp)
    

  26.      2bc:        82f19023                  sh        a5,-2016(gp) # 20000090 <cnt>
    

  27.      2c0:        2e79                        jal        65e <TIM_Cmd>
    

  28.      2c2:        8201d583                  lhu        a1,-2016(gp) # 20000090 <cnt>
    

  29.      2c6:        00002537                  lui        a0,0x2
    

  30.      2ca:        a0850513                  addi        a0,a0,-1528 # 1a08 <_sbrk+0x20>
    

  31.      2ce:        23cd                        jal        8b0 <iprintf>
    

  32.      2d0:        4585                        li        a1,1
    

  33.      2d2:        8522                        mv        a0,s0
    

  34.      2d4:        2e75                        jal        690 <TIM_GetFlagStatus>
    

  35.      2d6:        c501                        beqz        a0,2de <TIM1_UP_IRQHandler+0x58>
    

  36.      2d8:        4585                        li        a1,1
    

  37.      2da:        8522                        mv        a0,s0
    

  38.      2dc:        26c1                        jal        69c <TIM_ClearITPendingBit>
    

  39.      2de:        5472                        lw        s0,60(sp)
    

  40.      2e0:        40b6                        lw        ra,76(sp)
    

  41.      2e2:        42a6                        lw        t0,72(sp)
    

  42.      2e4:        4316                        lw        t1,68(sp)
    

  43.      2e6:        4386                        lw        t2,64(sp)
    

  44.      2e8:        54e2                        lw        s1,56(sp)
    

  45.      2ea:        5552                        lw        a0,52(sp)
    

  46.      2ec:        55c2                        lw        a1,48(sp)
    

  47.      2ee:        5632                        lw        a2,44(sp)
    

  48.      2f0:        56a2                        lw        a3,40(sp)
    

  49.      2f2:        5712                        lw        a4,36(sp)
    

  50.      2f4:        5782                        lw        a5,32(sp)
    

  51.      2f6:        4872                        lw        a6,28(sp)
    

  52.      2f8:        48e2                        lw        a7,24(sp)
    

  53.      2fa:        4e52                        lw        t3,20(sp)
    

  54.      2fc:        4ec2                        lw        t4,16(sp)
    

  55.      2fe:        4f32                        lw        t5,12(sp)
    

  56.      300:        4fa2                        lw        t6,8(sp)
    

  57.      302:        6161                        addi        sp,sp,80
    

  58.      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。

复制
  1. //__attribute__((interrupt()))
    

  2. __attribute__((interrupt("WCH-Interrupt-fast")))
    

  3. void TIM1_UP_IRQHandler(void)
    

  4. {
    

  5.     cnt = TIM1->CNT;
    

  6.     TIM_Cmd( TIM1, DISABLE );
    

  7.     printf("#%d\n",cnt);
    


  8. 

  9.     if(TIM_GetFlagStatus( TIM1, TIM_FLAG_Update )!=RESET)
    

  10.     {
    

  11.         TIM_ClearITPendingBit( TIM1, TIM_IT_Update );     /* Clear Flag */
    

  12.     }
    

  13. }
复制
  1. 00000286 <TIM1_UP_IRQHandler>:
    

  2.      286:        1141                        addi        sp,sp,-16
    

  3.      288:        c622                        sw        s0,12(sp)
    

  4.      28a:        40013437                  lui        s0,0x40013
    

  5.      28e:        c2445783                  lhu        a5,-988(s0) # 40012c24 <_eusrstack+0x2000dc24>
    

  6.      292:        c0040413                  addi        s0,s0,-1024
    

  7.      296:        c426                        sw        s1,8(sp)
    

  8.      298:        4581                        li        a1,0
    

  9.      29a:        8522                        mv        a0,s0
    

  10.      29c:        82f19023                  sh        a5,-2016(gp) # 20000090 <cnt>
    

  11.      2a0:        2ebd                        jal        61e <TIM_Cmd>
    

  12.      2a2:        8201d583                  lhu        a1,-2016(gp) # 20000090 <cnt>
    

  13.      2a6:        00002537                  lui        a0,0x2
    

  14.      2aa:        9c850513                  addi        a0,a0,-1592 # 19c8 <_sbrk+0x20>
    

  15.      2ae:        23c9                        jal        870 <iprintf>
    

  16.      2b0:        4585                        li        a1,1
    

  17.      2b2:        8522                        mv        a0,s0
    

  18.      2b4:        2e71                        jal        650 <TIM_GetFlagStatus>
    

  19.      2b6:        c501                        beqz        a0,2be <TIM1_UP_IRQHandler+0x38>
    

  20.      2b8:        4585                        li        a1,1
    

  21.      2ba:        8522                        mv        a0,s0
    

  22.      2bc:        2645                        jal        65c <TIM_ClearITPendingBit>
    

  23.      2be:        4432                        lw        s0,12(sp)
    

  24.      2c0:        44a2                        lw        s1,8(sp)
    

  25.      2c2:        0141                        addi        sp,sp,16
    

  26.      2c4:        30200073                  mret

运行结果，以__attribute__((interrupt("WCH-Interrupt-fast")))结果如下：

20201026142446881.png

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。

20201026142602142.png

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：

20201026142921993.png

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。





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pattywu 发表于 2022-2-13 18:06 | 显示全部楼层
赞一个。
这种研究精神，值得赞一个。
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Dick Hou 发表于 2022-2-15 17:07 | 显示全部楼层
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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