STC8G1K單片機軟件執行時間物理測量

爲了能夠評估STC8G1K08單片機算法的效率，需要有一種能夠直接測量單片機程序執行時間的物理方法。使用單片機的一個管腳的變化來表明軟件流程的起始和結束，從外部通過示波器等手段測量脈衝的寬度，便可以有效衡量單片機軟件執行流程的時間。

下面通過一些基本實驗來衡量這種方法的有效性。

實驗平臺

實驗電路板在博文“8G1K實驗電路板”給出了描述。使用單片機P3.2管腳來只是程序的起始和結束。

該管腳在初始化的時候輸出模式設置爲：PUSH-PULL。

#define FLAG_PIN            3, 2           // For test time pulse

PM_PP(FLAG_PIN);

單片機的運行時鐘頻率爲：
$f_{sys} = 35 \times 10^6 Hz$

典型時間測量

1. 相鄰ON,OFF指令

ON,OFF是定義的宏指令，實際就是對sbit賦值指令。

#define _ON(pt,pin)     P##pt##pin=1
#define _OFF(pt,pin)    P##pt##pin=0
#define _TOGGLE(pt,pin) P##pt##pin=~P##pt##pin

#define ON(x)       _ON(x)
#define OFF(x)      _OFF(x)
#define TOGGLE(x)   _TOGGLE(x)

這應該是改變MCU輸出管腳電平最爲簡介的指令了。下面通過測量連續ON,OFF 指令，測量對應管腳信號的變化情況。

        ON(FLAG_PIN);
        OFF(FLAG_PIN);

測量FLAG_PIN輸出信號入下圖所示，在波形的上升和下降起始位置之間的時間大約爲：$t_1 = 30ns$。

由於MCU系統頻率爲$f_{sys} = 35ns$，所以$t_1$大約等於系統頻率的倒數：$t_1 \approx {1 \over {f_{sys} }} = {1 \over {35 \times 10^6 }}$

^{▲ P3.2輸出波形}

使用ON，OFF命令測量實際執行時間的時候，需要將測量時間減去MCU工作的指令週期，也就是$t_1$。

2. 使用TOGGLE指令

根據前面定義TOGGLE宏命令，該指令是8051中指令對sbit取反操作，使用連續兩次取反，可以使得管腳輸出舉行脈衝。

最終所測量得到的脈衝與前面連續ON，OFF脈衝相同。

3. 測量_NOP_時間間隔

在ON,OFF指令之間增加nop命令，則會反映出單個NOP命令的執行時間。

        ON(FLAG_PIN);
        _nop_();
        OFF(FLAG_PIN);

測量結果如下圖所示。相鄰上升沿和下降沿之間的時間大約爲60ns，相當於兩個系統指令週期。

^{▲ 增加NOP指令之後的P3.2管腳信號}

變量操作運行時間

1. unsigned char

（1）賦值語句： unsigned char c1 = 1;
執行時間爲Tmcu=30ns。

（2）加法指令： unsigned char c1,c2; c1=c1+c2;
執行時間：3個Tmcu=90ns。

（3）減法指令： c1=c1-c2 執行時間：4個Tmcu=120ns;

（4）乘法指令： c1=c1*c2
執行時間5個Tmcu=150ns。

（5）除法指令： c1=c1/c2
執行時間：300ns。

2. unsigned int

（1）賦值語句： unsigned int n1 = 1;

執行時間：2Tmcu=60ns;

（2）加法： n1=n1+n2;
執行時間： 6Tmcu = 180ns。

（3）減法： n1=n1-n2;
執行時間： 7Tmcu=210ns。

（4）乘法： n1=n1*n2;

執行時間：25Tmcu=810ns

（5）除法指令： n1=n1/n2
執行時間：5us;

3. unsigned long

（1）賦值語句： unsigned int n1 = 1;

執行時間：150ns;

（2）加法： n1=n1+n2;
執行時間： 12TMuc = 360ns;

（3）減法： n1=n1-n2;
執行時間： 410ns

（4）乘法： n1=n1*n2;

執行時間：2.65us

（5）除法指令： n1=n1/n2
執行時間：18.3us;

對於32bit（long）ckzo ,乘法和除法都比較消耗時間，利用8G內部的MDU16（32位乘法/除法）單元，可以加快相應的計算結果。下面給出了數據手冊中相關的運行速度說明。

^{▲ MDU16不同操作所需要的時鐘數量}

4. float

（1）賦值語句： f1 = 34.340;

執行時間：180ns;

（2）加法： f1=f1+f2
執行時間： 7.04us。

（3）減法： f1=f1-f2;
執行時間： 6.1us。

（4）乘法： f1=f1*f2;

執行時間：5.56us;

從現實的波形上來看，在執行過程中出現了不同的執行時間。使用EA = 0，來關閉全局終點，依然會出現這種情況。這說明不是中斷引起的執行時間的差異。

^{▲ 出現不同的執行時間}

（5）除法指令： f1=f1/f2;
執行時間：1.84us;

5. double

（1）賦值語句： f1 = 34.340;

執行時間: 180ns;

（2）加法： f1=f1+f2
執行時間： 6.18us。

（3）減法： f1=f1-f2;
執行時間： 1.94us。

（4）乘法： f1=f1*f2;

執行時間：2.14us;

注意：這個執行時間比起float還要短？爲什麼呢？

（5）除法指令： f1=f1/f2;
執行時間：1.84us;