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最近一個工程師問我MCU的最高翻轉(zhuǎn)速度能夠到多少？這個話題我多年前就聽過，不過一直沒有實際去測試過，這次正好借此問題實際測試了一番，發(fā)現(xiàn)里面還藏了不少的知識。
本次測試選取了目前市面上性價比極高的3款32位ARM Cortex-M0/M0+內(nèi)核MCU，分別是靈動微MM32G0001、普冉PY32F002B、芯源CW32L010，價格都在5毛錢以內(nèi)！
首先測試的是靈動微的MM32G0001 MCU，該MCU基于ARM Cortex-M0內(nèi)核，最高工作頻率可達 48MHz。系統(tǒng)架構(gòu)圖如下：
可以看到GPIO模塊位于AHB 總線上，AHB總線的最高速率為48Mhz。GPIO翻轉(zhuǎn)就是高低電平變換，執(zhí)行一條電平控制的STR匯編指令是2個指令周期，所以理論上該MCU GPIO最大的翻轉(zhuǎn)速率是48Mhz/(2+2)=12Mhz。下面我們來看看實測情況，
測試代碼基于靈動微官網(wǎng)提供的：LibSamples_MM32G0001_V0.10.2SamplesLibSamplesGPIOGPIO_LED_Toggle例程。
該示例時鐘配置的就是48Mhz。我們進行以下幾個實驗：
實驗1：原始代碼做如下修改，注釋掉不相關(guān)代碼，while(1)里只保留一個GPIO翻轉(zhuǎn)函數(shù)。
測試結(jié)果只有289Khz。
實驗2：把優(yōu)化等級從0開到最高：
測試結(jié)果是333Khz。
以上2個實驗測出來的速率遠低于理論值，主要是和函數(shù)調(diào)用有關(guān)系，占用了很多額外的時間。
實驗3：這次直接改為操作寄存器的方式實現(xiàn)，為保證測試一致性，優(yōu)化等級還是調(diào)整回0。
測出來的結(jié)果是4Mhz，速率明顯提升。
可是為什么低電平時間要比高電平時間多了那么多呢。經(jīng)過分析可知是while(1)循環(huán)占用了額外的時間。
實驗4：在實驗3的基礎(chǔ)上改進一下，while(1)多增加幾條重復(fù)的語句。
測試翻轉(zhuǎn)期間的速率為12Mhz，這樣就達到了理論上的最大速率。
第二個測試的是普冉的PY32F002B MCU，該MCU基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核，最高主頻24MHz。系統(tǒng)架構(gòu)圖如下：
可以看到這個MCU的GPIO是直接掛到內(nèi)核上，它具備單周期快速翻轉(zhuǎn)的能力。單周期GPIO是ARM Cortex-M0+內(nèi)核所特有支持的一個功能，M0內(nèi)核MCU沒有此功能。所以該款MCU GPIO翻轉(zhuǎn)最大速率理論值為：24Mhz/(1+1)=12Mhz。下面我們來看下實際測試結(jié)果。
PY32F002B_Firmware_V1.1.0ProjectsPY32F002B-STKExample_LLGPIOGPIO_FastIO直接提供了測試例程，什么都不用改，下載進去就可以測試，
可以看到IO翻轉(zhuǎn)速率確實達到了12Mhz。
C:Userswangwx1Desktop普冉12Mhz.jpg
雖然PY32F002B最高主頻相比MM32G0001只有其一半，但是因為其直接掛在內(nèi)核上，具備單周期翻轉(zhuǎn)能力，所以兩者的最高IO翻轉(zhuǎn)速率都是12Mhz。
最后再來看芯源的CW32L010 MCU，這顆MCU也是Cortex-M0+內(nèi)核，但是其GPIO并沒有像PY32F002B直接掛在內(nèi)核上，而是掛在AHB總線上。該MCU最高主頻也是48Mhz。
有了上述測試基礎(chǔ)，你是不是能夠猜到該MCU的最大翻轉(zhuǎn)速率了，你可能會認為和靈動微G0001一樣也是12Mhz。事實果真如此嗎？
我們基于CW32L010_StandardPeripheralLib_V1.0.2ExamplesGPIOgpio_blink做了簡單修改，該例子默認跑的是4Mhz主頻，將其修改為48Mhz
實際測試結(jié)果只有8Mhz，這是什么原因呢？我們可以看到低電平時間是2個指令周期，但是高電平時間卻是4個指令周期。
這是因為Flash讀等待所導(dǎo)致的，當主頻大于24Mhz之后，需要插入1個等待周期，所以無法保證每個翻轉(zhuǎn)都能達到2個指令周期。
我們可以再做一個測試，將其主頻降低為24Mhz，可以看到此時GPIO翻轉(zhuǎn)速率可以達到6Mhz，這是因為沒有flash讀等待周期了。
最后再做一個測試，把上述翻轉(zhuǎn)GPIO的代碼做一點修改，上述用了BSRR、BRR寄存器來實現(xiàn)置位和清零，如果使用ODR寄存器會有什么效果呢？
可以看到，翻轉(zhuǎn)速率直接只有4Mhz。
通過匯編代碼可以看到，多了一條MOVS指令，該指令需要1個指令周期，所有最高翻轉(zhuǎn)速率為24Mhz/(3+3)=4Mhz
除了置位/清零寄存器、輸出數(shù)據(jù)寄存器實現(xiàn)GPIO翻轉(zhuǎn)外，有的MCU還有翻轉(zhuǎn)寄存器，比如CW32L010有，MM32G0001和PY32F002B沒有，直接用這一個寄存器就可以實現(xiàn)IO翻轉(zhuǎn)，實測這個效果和BSRR/BRR一樣。
由此可見，影響MCU GPIO翻轉(zhuǎn)速度的因素有很多，包括系統(tǒng)主頻、是否支持單周期翻轉(zhuǎn)、Flash讀等待、翻轉(zhuǎn)語句寫法、編譯器優(yōu)化等級等多個因素。
最后再留一個問題供大家思考，為什么芯源CW32L010和靈動微MM32G0001同樣都是跑48Mhz最高主頻，芯源CW32L010無法達到理論值12Mhz但是靈動微MM32G0001卻可以達到呢？歡迎評論區(qū)留言。
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