【经验分享】KE02单条乘法指令为一个周期的测试方法讲解

1万 · 2014-6-30 17:34

一， 问题描述

前不久，在我们飞思卡尔的外部坛子有几位网友提出我们Coretex M0+内核芯片的乘法指令运行周期的问题。通过cortex M0+内核相关文档，我们知道乘法指令MULS Rd, Rm, Rd 占用的机器周期是1或者是32，那么到底是1还是32呢？网友为了验证，就采用KE02作为平台自己测试了，很多人都是采用在乘法指令前后翻转IO的方式，然后通过示波器去测试IO之间的时间来确定乘法指令的运行时间，这样测下来，时间还是比较长的，有些网友甚至测出来有好几个us，甚至十几个us，这么长的时间对于20M的主频（一个机器周期只有0.05us）来说真是长的有些不可思议。那么到底是什么原因导致测试结果这么长呢，IO口翻转的方法测试单指令的乘法指令靠谱吗？答案是No。

为什么不行呢？因为测试的时候如果使用IO翻转，本身IO翻转就占用一定的机器周期，另外对于C语言写的乘法指令，比如如下定义：

uint32_t test1, test2;

uint32_t result;

test1=0x11;

test2=0x22;

result= test1*test2;

result= test1*test2;对应的汇编并不只是一条乘法指令，而是包含了取值到test1，test2，然后在做乘法，最后还要将乘法指令放到result中去（请查看图1），其实这些取值，存储指令占用的机器周期还是比较长的，通过手册可知是2个机器周期，而如果乘法指令只有1个机器周期，这样测试明显是不正确的。

图1

可能还有人想，那么如果我直接用result= 0x11*0x22;这样是否就能比较快的测试乘法指令呢？这个也是不可以的，因为如果这样做，编译器会先把0x11*0x22计算好后放在一个地方，然后运行到这句乘法语句的时候，直接掉值，大家如果查看它对应的汇编语句，是看不到muls这条指令的，只有一些取值存值的过程，如图2。

图2

那么究竟怎样测试才能准确的测出单条muls的运行时间呢？下面章节2将详细讲解。

二， 测试方法讲解

大家从上面的图1可以看到，其实一条C的乘法指令对应了包含乘法指令muls，LDR,STR等多条指令，如何才能准确测试呢？

我们可以使用芯片的systick来测试，因为systick的counter是可以配置为core clock（CLKSOURCE=1）或者core clock/16(CLKSOURCE=0)的，如果我们选择counter为core clock，而运行指令的机器周期也是按照core时钟来的，所以就能比较准确的测试单条指令的运行时间。另外，在我们KE02的驱动库中，是有关于systick的驱动代码的，如果大家使用的是KL系列，相关例程中也是有systick的驱动的，测试方法类同。

具体的测试思想就是，初始化好systick后，在result= test1*test2;前面使能读取当前的systick值，并且存起来，运行完乘法语句之后再次读当前的systick值，然后再存起来，紧接着做一个减法，就知道乘法语句result= test1*test2;和第二次取systick值一共运行了多少个内核时钟，最后再减去减去乘法语句中除了乘法指令之外的语句以及第二次取systick值的时间，就是我们需要的muls指令的时间。

下面再结合测试结果讲解。

三，测试结果

整个语句对应的汇编情况如图3所示，其中execution_cycle是测试乘法C语句的时间，而实际上，由于读取第二次systick的VAL也是经过一些汇编才将值放到cnt_end_value中的，所以execution_cycle包含了乘法C语句和cnt_end_value = SysTick->VAL;语句的执行时间。大家可以看到在图3右边有个红框，整个红框内对应的就是execution_cycle的时间。通过文档Cortex™-M0+ Technical Reference Manual.pdf的26页

Table 3-1 Cortex-M0+ instruction summary （该文档以及在附件中）可以知道：

Ldr，str指令都是2个机器周期，而红框中除了muls之外，一共有10条指令，即一共20个机器周期。下面就可以使用execution_cycle减去20个机器周期就能得到muls的机器周期。