华芯微特SWM34-IO速度优化之模拟SPI写速度提速

只看该作者 · 2023-7-23 17:15

本文以在SWM34S（M33内核,150Mhz，编译器Keil MDK 5.36）上优化为例，说明优化方法和需要注意的地方，其他MCU可以参考。
在编写模拟SPI通信驱动LCD的例子的时候，会用到一个发送字节的核心函数，其基本实现方式如下：

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static void Spi4_WriteByte(uint8_t d)

{

        uint8_t i,spidat;

        spidat = d;

        for(i=0; i<8; i++)                        

        {  

                if( (spidat&0x80)!=0 ) 

                        LCD0_SPI4_MOSI_HIGH();

                else 

                        LCD0_SPI4_MOSI_LOW();

                spidat <<= 1;

                LCD0_SPI4_CLK_LOW();

                LCD0_SPI4_CLK_HIGH();                

        }

}

只看该作者 · 2023-7-23 18:46

如上图，我们可以看到时钟的低电平时间非常的短，高电平时间很长。从如上代码我们也能看出来，是因为时钟高低电平只有一条指令，基本已经是最短的了，高电平持续期间还有其他代码运行。

只看该作者 · 2023-7-24 00:15

参考一下ST7735的spi时序图：

只看该作者 · 2023-7-24 00:16

只看该作者 · 2023-7-24 00:17

重点看写参数：时钟低电平最低宽度Tshw（15ns），时钟高电平最低宽度Tslw（15ns），时钟最小周期Tscycw（66ns）。我们在实现模拟spi驱动的时候要严格遵循这个时序要求，很明显上面测试到的时序，低电平6ns太短了，需要处理。

只看该作者 · 2023-7-24 00:17

简单的方法,在时钟低电平后插入延时，但是会导致整个速度变慢

只看该作者 · 2023-7-24 00:17

简单的方法,在时钟低电平后插入延时，但是会导致整个速度变慢

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                LCD0_SPI4_CLK_LOW();

                __NOP();

                LCD0_SPI4_CLK_HIGH();

只看该作者 · 2023-7-24 00:18

优化第一步：
把时钟拉低的时间移动到前面来，整个执行时间和代码并没有增加：

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static void Spi4_WriteByte(uint8_t d)

{

        uint8_t i,spidat;

        spidat = d;

        for(i=0; i<8; i++)                        

        {  

                LCD0_SPI4_CLK_LOW();

                if( (spidat&0x80)!=0 ) 

                        LCD0_SPI4_MOSI_HIGH();

                else 

                        LCD0_SPI4_MOSI_LOW();

                spidat <<= 1;

                LCD0_SPI4_CLK_HIGH();                

        }

}

只看该作者 · 2023-7-24 00:19

由于编译器的优化（而且一定要开优化（O1以上），速度才会快，开与不开大约相差3倍），从低电平到高电平之间的时间似乎并没有完全和代码一致，但是宽度已经变成14ns了，已经能基本满足我们的需求了。
好了，到这里，我们把基本时序调整完成，发送一个字节大约需要714ns，此时发送一帧数据（320x240 16bit）大约需要110ms。
感觉速度还是不够，如何来进一步优化？
乍一看，貌似也没有多少优化空间了（那几个宏定义的操作已经是最优实现，可以不考虑）？那还能咋整？
细节决定成败，请记住我们用的是32bit mcu，代码中的i,spidat两个变量是采用8bit定义的，习惯了单片机的内存紧张，尽量用最小单位来定义了。

只看该作者 · 2023-7-24 00:20

优化第二步，将变量i定义为32bit，看看发生了什么变化：

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uint32_t i;<img src="https://bbs.21ic.com/forum.php?mod=image&aid=2137462&size=300x300&key=d4ce4a821f437c59&nocache=yes&type=fixnone" border="0" aid="attachimg_2137462" alt="">

只看该作者 · 2023-7-24 01:00

看看效果，一个字节的发送时间从714ns降低到628ns，一帧的数据时间降低到94.16ms。是不是很惊奇，说明在32bit的mcu上，效率最高的内存访问还是32bit的方式，在需要极度时间优化的时候请正确使用。
优化第三步，将变量spidat也定义为32bit：
最终全部代码如下：

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<div><div>

</div><div>static void Spi4_WriteByte(uint8_t d)</div><div>{</div><div><span style="white-space:pre">        </span>uint32_t i,spidat;</div><div><span style="white-space:pre">        </span>spidat = d;</div><div><span style="white-space:pre">        </span>for(i=0; i<8; i++)<span style="white-space:pre">                        </span></div><div><span style="white-space:pre">        </span>{  </div><div><span style="white-space:pre">                </span>LCD0_SPI4_CLK_LOW();</div><div><span style="white-space:pre">                </span>if( (spidat&0x80)!=0 ) </div><div><span style="white-space:pre">                        </span>LCD0_SPI4_MOSI_HIGH();</div><div><span style="white-space:pre">                </span>else sudu</div><div><span style="white-space:pre">                        </span>LCD0_SPI4_MOSI_LOW();</div><div><span style="white-space:pre">                </span>spidat <<= 1;</div><div><span style="white-space:pre">                </span>LCD0_SPI4_CLK_HIGH();<span style="white-space:pre">                </span></div><div><span style="white-space:pre">        </span>}</div><div>}</div></div><div></div>

只看该作者 · 2023-7-24 01:00

这个优化我们很容易忽略，因为spi传输8bit数据的时候，我们是msb在前，要先判断最高位，惯性的就用了8bit来表示数据，其实我们是需要判断第8bit，而不是一定需要8bit数据长度，在代码中，用32bit也是一样的效果
从图中实际测试数据来看，我们的字节传输时间再次下降到574ns，一帧数据86.09ms，提升还是比较明显。
综合来看，仅仅通过优化两个变量类型的定义，一帧数据的传输时间从110ms->94.16ms->86.09ms,提速约30%，并没有为cpu带来任何影响，也不会多ram开销，效果非常明显。