引言

上文描述了如何將一個(gè)樣例工程下載到 QSPI Flash 并運(yùn)行，那么就會(huì)有一個(gè)新的問(wèn)題：將應(yīng)用程序存儲(chǔ)在 QSPI Flash、片內(nèi) Flash 以及片內(nèi) SRAM 上，執(zhí)行的效果又如何？

本章將通過(guò)在不同 Flash 中執(zhí)行相同的測(cè)試程序，記錄其執(zhí)行程序所花費(fèi)的時(shí)間，驗(yàn)證不同 Flash 對(duì)微控制器執(zhí)行程序性能的影響。

在進(jìn)行 Flash 速度驗(yàn)證前，我們需要知道如何獲取各 Flash 的速度：

QSPI Flash 訪問(wèn)速度可通過(guò) QSPI 的 SCK 波特率直接求出。

片內(nèi) Flash 的訪問(wèn)速度可通過(guò) DataSheet 手冊(cè)或寄存器配置得到。

通常，片內(nèi) SRAM （系統(tǒng)時(shí)鐘速度訪問(wèn)）的訪問(wèn)速度與系統(tǒng)時(shí)鐘速度保持一致。

若要驗(yàn)證在不同 Flash 中程序的執(zhí)行速度，還需考慮以下幾點(diǎn)：

驗(yàn)證程序中要包含適量的小循環(huán)，從而展現(xiàn) ICACHE 和 DCACHE 對(duì)執(zhí)行程序帶來(lái)的性能提升。

驗(yàn)證程序中要包含適量的長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)，使 CPU 需要重新訪問(wèn) Flash 獲取指令和數(shù)據(jù)，從而展現(xiàn)不同 Flash 對(duì)執(zhí)行程序速度帶來(lái)的影響。

驗(yàn)證程序要足夠復(fù)雜，且 code size 要足夠大，盡量消除偶然性因素，從而能夠模擬真實(shí)使用場(chǎng)景，使驗(yàn)證結(jié)果更加可信。

驗(yàn)證程序應(yīng)盡量使用通用的算法應(yīng)用，可以在多平臺(tái)中進(jìn)行適配，且能夠進(jìn)行橫向比較。

驗(yàn)證環(huán)境

MCU F5270/F5280

測(cè)試所用開發(fā)板

POKT-F5270 (MM32F5277E9PV)，外擴(kuò) QSPI Flash

POKT-F5280 (MM32F5287L9PV)，合封 QSPI Flash

開發(fā)工具

MDK5.37（ARM Compiler: v6.18）

MCU F5270/F5280 配置

System Clock：120MHz

AHB Clock：120MHz

APB1 Clock：60MHz

APB2 Clock：60MHz

ICACHE: 開啟

DCACHE: 開啟

FPU: 開啟 (單精度)

片內(nèi) SRAM

Base：0x30000000

Speed：120MHz（1 訪問(wèn)周期 + 0 等待周期）

片內(nèi) Flash

Base：0x08000000

Speed：24MHz（1 訪問(wèn)周期 + 4 等待周期）

QSPI Flash

Base：0x90000000

存放數(shù)據(jù)的 RAM base：0x20000000 (with DTCM)，在測(cè)試用例中使用另外的 RAM 存放程序

QSPI Flash

測(cè)試所用開發(fā)板：

型號(hào)：W25Q128JVSIQ，F(xiàn)M25Q16A

SCK波特率：30MHz (MM32F5270 only，120MHz AHB 時(shí)鐘 4 分頻) 與 60MHz (MM32F5280 only，120MHz AHB 時(shí)鐘 2 分頻)

受外界環(huán)境（線路不等長(zhǎng)，阻抗不匹配等因素）和 GPIO 電平翻轉(zhuǎn)速度（電平上升下降沿所需時(shí)間）影響，片外 QSPI Flash難以在 SCK 波特率 60MHz 的環(huán)境下讀取到正確的數(shù)據(jù)，因此 60MHz 驗(yàn)證只在 MM32F5280 上進(jìn)行。

其余驗(yàn)證程序均在 POKT-F5270 開發(fā)板上進(jìn)行運(yùn)行。

SPI 模式：SPI 模式 3 (CPOH = 1, CPHA = 0)

POKT-F5270 (MM32F5277E9PV)，外擴(kuò) QSPI Flash

POKT-F5280 (MM32F5287L9PV)，合封 QSPI Flash

工作模式：QPI 模式（各通信階段線寬皆為四線）下進(jìn)行 Fast Read

指令線寬：4-line

指令位寬：8-bit

地址線寬：4-line

地址位寬：24-bit

空指令周期數(shù)：2-sck_cycles

數(shù)據(jù)線寬：4-line

交互方式：

由交互方式可知，無(wú)論向 QSPI Flash 讀取多少字節(jié)數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)前都會(huì)有 10 個(gè) SCK 時(shí)鐘準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。

Arm CMSIS-DSP FFT 驗(yàn)證

FFT (快速傅里葉變換)，是一種能夠?qū)⒁欢坞x散的波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻譜數(shù)據(jù)的算法。

CMSIS-DSP 中 FFT 計(jì)算的 API，具有良好的可移植性，可在 ARM 內(nèi)核的芯片中進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋哂锌尚判裕宜?FFT 計(jì)算涉及到大量的循環(huán)和跳轉(zhuǎn)等操作，用例的 code size 足夠大，計(jì)算方法足夠復(fù)雜，可充分展現(xiàn) CPU 和 Flash 之間配合，適合用于當(dāng)前各 Flash 對(duì)微控制器性能影響測(cè)試。

驗(yàn)證方法

使用 Arm CMSIS-DSP FFT 驗(yàn)證方法時(shí)，可指定一段波形數(shù)據(jù)，通過(guò) FFT 進(jìn)行一次正向運(yùn)算，得出頻譜數(shù)據(jù)，再將頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一次 FFT 反向運(yùn)算，得出原始的波形數(shù)據(jù)。

使用 SysTick 定時(shí)器記錄時(shí)間，由于進(jìn)行一次正向運(yùn)算和一次反向運(yùn)算所需的時(shí)間較短，因此循環(huán)多次（1000次），統(tǒng)計(jì)計(jì)算所需的時(shí)間。計(jì)算所需的時(shí)間越短，表明在該 Flash 上執(zhí)行程序的性能越好，記錄完一次時(shí)間后，調(diào)整程序的優(yōu)化等級(jí)，再次進(jìn)行驗(yàn)證。

驗(yàn)證用例簡(jiǎn)介

用例中主要使用函數(shù) fft_test_init_f32() 與 fft_test_run_f32() 執(zhí)行 FFT 轉(zhuǎn)換。

fft_test_init_f32()

對(duì)一塊 float32_t 類型的buffer進(jìn)行初始化，生成一段波峰為1，波數(shù)為100，采樣點(diǎn)共1024個(gè)的波形數(shù)據(jù)。

fft_test_run_f32()

初始化 FFT，對(duì) buffer 中的內(nèi)容進(jìn)行正向 FFT 轉(zhuǎn)換，將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻譜數(shù)據(jù)，替換 buffer 中原有的數(shù)據(jù)；

再對(duì) buffer 中的內(nèi)容進(jìn)行逆向 FFT 轉(zhuǎn)換，將頻譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為波形數(shù)據(jù)，替換 buffer 中原有的數(shù)據(jù)；

循環(huán)正向 FFT 轉(zhuǎn)換和逆向 FFT 轉(zhuǎn)換，循環(huán)次數(shù)為 test_times 次。

Arm CMSIS-DSP FFT 用例的驗(yàn)證方法

調(diào)用 fft_test_init_f32() 函數(shù)對(duì)一塊 float32_t 類型的 buffer 進(jìn)行初始化。

開啟 SysTick 定時(shí)器，每毫秒產(chǎn)生一次中斷，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。

記錄開始驗(yàn)證的時(shí)間，調(diào)用 fft_test_run_f32() 函數(shù)，test_times 為 1000。

記錄驗(yàn)證結(jié)束的時(shí)間，打印驗(yàn)證花費(fèi)的時(shí)間。

驗(yàn)證結(jié)果

在 QSPI Flash（60MHz與30MHz），片內(nèi) SRAM 和片內(nèi) Flash 上運(yùn)算 Arm CMSIS-DSP FFT 的性能數(shù)據(jù)及代碼變量如表1所示。

此處需注意，由于浮點(diǎn)數(shù)記錄數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)有精度問(wèn)題，經(jīng)過(guò) 1000 輪 FFT 轉(zhuǎn)換后的波形數(shù)據(jù)與 FFT 轉(zhuǎn)換前的波形數(shù)據(jù)相比，會(huì)有輕微變化，屬正常現(xiàn)象。

表1 各 Flash 運(yùn)行 FFT 的性能數(shù)據(jù)對(duì)比

以 -ofast 優(yōu)化為例，片內(nèi) SRAM 的運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)為基準(zhǔn)單位，各 Flash 進(jìn)行 FFT 運(yùn)算所需時(shí)長(zhǎng)對(duì)比如圖1所示。

圖1 各 Flash 的 FFT 運(yùn)算速度比較 (-ofast)

驗(yàn)證程序

Arm CMSIS-DSP FFT 測(cè)試程序包含三種優(yōu)化等級(jí)程序：

o0 文件夾

編譯優(yōu)化選項(xiàng)為 -o0 的驗(yàn)證程序，包含片內(nèi) Flash，片內(nèi) SRAM 和 QSPI Flash 三種環(huán)境的工程。

ofast 文件夾

編譯優(yōu)化選項(xiàng)為 -ofast 的驗(yàn)證程序，包含片內(nèi) Flash，片內(nèi) SRAM 和 QSPI Flash 三種環(huán)境的工程。

oz 文件夾

編譯優(yōu)化選項(xiàng)為 -oz image size 的驗(yàn)證程序，包含片內(nèi) Flash，片內(nèi) SRAM 和 QSPI Flash 三種環(huán)境的工程。

當(dāng)程序運(yùn)行在片內(nèi) SRAM 或 QSPI Flash 時(shí)，需要 bootlader 進(jìn)行引導(dǎo)，bootloader文件夾中提供三種環(huán)境下的 bootloader：

pokt-f5270_bootloader_qspi_sckdiv2_mdk

驗(yàn)證程序執(zhí)行在 QSPI Flash 上，且需要 SCK 時(shí)鐘為 AHB 時(shí)鐘的二分頻（AHB 時(shí)鐘為 120MHz 時(shí) SCK 波特率為 60MHz）。

pokt-f5270_bootloader_qspi_sckdiv4_mdk

驗(yàn)證程序執(zhí)行在 QSPI Flash 上，且需要 SCK 時(shí)鐘為 AHB 時(shí)鐘的四分頻（AHB 時(shí)鐘為 120MHz 時(shí) SCK 波特率為 30MHz）。

pokt-f5270_bootloader_sram_mdk

測(cè)試程序執(zhí)行在片內(nèi) SRAM 上，該 bootloader 僅實(shí)現(xiàn)引導(dǎo) CPU 執(zhí)行片內(nèi) SRAM 上的程序，不實(shí)現(xiàn)加載程序到片內(nèi) SRAM 的功能。下載本 bootloader 后，可使用如 JLink 等工具，將驗(yàn)證程序加載到片內(nèi) SRAM 中。即使微控制器發(fā)生復(fù)位，片內(nèi) SRAM 中的程序也不會(huì)被擦除。

Mbed-TLS RSA1024 驗(yàn)證

RSA1024 是一種非對(duì)稱加密算法，常用于網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)的數(shù)據(jù)加密。Mbed-TLS RSA1024 計(jì)算量大，包含大量循環(huán)，跳轉(zhuǎn)等操作，且其為純應(yīng)用代碼，便于移植，計(jì)算方法復(fù)雜，可用于當(dāng)前各 Flash 對(duì)微控制器性能影響測(cè)試。

驗(yàn)證方法

指定公鑰和私鑰，對(duì)一段指定的數(shù)據(jù)進(jìn)行 RSA1024 加密和解密。

使用 SysTick 定時(shí)器記錄時(shí)間，由于進(jìn)行一次加密和解密的時(shí)間較短，需將一組加密與解密循環(huán)多次 (10次)，記錄所需時(shí)間。

計(jì)算所需的時(shí)間越短，表明在該 Flash 上執(zhí)行程序的性能越好，記錄完一次時(shí)間后，調(diào)整優(yōu)化等級(jí)，再次進(jìn)行驗(yàn)證，不得使用專用的加解密硬件外設(shè)協(xié)助計(jì)算。

驗(yàn)證用例簡(jiǎn)介

用例中主要使用函數(shù) rsa_test_init() 與 rsa_test_run() 執(zhí)行數(shù)據(jù)加密。

rsa_test_init()

對(duì)存放解密數(shù)據(jù)的 buffer1 進(jìn)行初始化，存放原始數(shù)據(jù)。

對(duì)存放加密數(shù)據(jù)的 buffer2 進(jìn)行初始化，填充 0x00。

加載 RSA1024 公鑰和私鑰。

rsa_test_run()

將存放解密數(shù)據(jù)的 buffer1 中的內(nèi)容進(jìn)行加密，并將加密后的數(shù)據(jù)存放到 buffer2 中。

將存放加密數(shù)據(jù)的 buffer2 中的內(nèi)容進(jìn)行解密，并將解密后的數(shù)據(jù)存放到 buffer1 中。

循環(huán)以上操作 test_times 次。

驗(yàn)證方法

調(diào)用 rsa_test_init() 函數(shù)對(duì)一塊 float32_t 類型的buffer進(jìn)行初始化。

開啟 SysTick 定時(shí)器，每毫秒產(chǎn)生一次中斷，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。

記錄開始驗(yàn)證的時(shí)間，調(diào)用 rsa_test_run() 函數(shù)，test_times 為 10。

記錄驗(yàn)證結(jié)束的時(shí)間，打印驗(yàn)證花費(fèi)的時(shí)間。

驗(yàn)證結(jié)果

在 QSPI Flash（60MHz與30MHz），片內(nèi) SRAM 和片內(nèi) Flash 運(yùn)行 Mbed-TLS RSA1024 程序的性能數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 各 Flash 運(yùn)行 Mbed-TLS RSA1024 的性能數(shù)據(jù)

以 -ofast 優(yōu)化為例，片內(nèi) SRAM 的運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)為基準(zhǔn)單位，各 Flash 進(jìn)行 RSA1024 運(yùn)算所需時(shí)長(zhǎng)對(duì)比如圖2所示。

圖2 RSA1024 運(yùn)算速度對(duì)比 (-ofast)

驗(yàn)證程序

Mbed-TLS RSA1024 測(cè)試程序包含三種優(yōu)化等級(jí)程序：

o0 文件夾

編譯優(yōu)化選項(xiàng)為 -o0 的驗(yàn)證程序，包含片內(nèi) Flash，片內(nèi) SRAM 和 QSPI Flash 三種環(huán)境的工程。

ofast 文件夾

編譯優(yōu)化選項(xiàng)為 -ofast 的驗(yàn)證程序，包含片內(nèi) Flash，片內(nèi) SRAM 和 QSPI Flash 三種環(huán)境的工程。

oz 文件夾

編譯優(yōu)化選項(xiàng)為 -oz image size 的驗(yàn)證程序，包含片內(nèi) Flash，片內(nèi) SRAM 和 QSPI Flash 三種環(huán)境的工程。

當(dāng)程序運(yùn)行在片內(nèi) SRAM 或 QSPI Flash 時(shí)，需要 bootlader 進(jìn)行引導(dǎo)，三種環(huán)境下的 bootloader 結(jié)構(gòu)與 Arm CMSIS-DSP FFT 驗(yàn)證程序中對(duì) bootloader 的介紹相同。

需要注意，MbedTLS RSA1024 用例未使用 MicroLIB庫(kù)

驗(yàn)證時(shí)發(fā)現(xiàn)，使用 MicroLIB 后，在片內(nèi) SRAM 中執(zhí)行 calloc 函數(shù)無(wú)法申請(qǐng)內(nèi)存空間，影響 RSA1024 運(yùn)算，因此在工程配置選項(xiàng)中選擇Options for Target ... -> Target 取消勾選 Use MicroLIB 。

為使用 printf() 函數(shù)打印驗(yàn)證結(jié)果，在工程配置選項(xiàng)中選擇 Manage Run-Time Environment -> Compiler-> I/O 勾選 STDERR ， STDIN ， STDOUT 。程序配置如圖3所示。

圖3 Manage Run-Time Environment 配置

Helix MP3 Decoder 驗(yàn)證

Helix MP3 解碼庫(kù)作為一款開源的 MP3 解碼組件，常在多媒體應(yīng)用中使用。

Helix MP3 Decoder為純應(yīng)用代碼，便于移植，且其在進(jìn)行 MP3 解碼的過(guò)程中，需要進(jìn)行大量的循環(huán)和長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)操作，適合用于當(dāng)前各 Flash 對(duì)微控制器性能影響測(cè)試。

驗(yàn)證方法

使用 Helix MP3 Decoder 驗(yàn)證方法，指定一段 MP3 文件，將其文件中的原始數(shù)據(jù)存放在待測(cè)試的 Flash 中。

使用 Helix MP3 解碼庫(kù)將該 MP3 文件的原始數(shù)據(jù)解碼為 PCM 格式。

使用 SysTick 定時(shí)器記錄時(shí)間，由于指定的 MP3 文件較小，且 Helix MP3 解碼速度較快，因此循環(huán)多次（10次），統(tǒng)計(jì)計(jì)算所需的時(shí)間。

計(jì)算所需的時(shí)間越短，表明在該 Flash 上執(zhí)行程序的性能越好。完成一次時(shí)間統(tǒng)計(jì)后，通過(guò)調(diào)整程序優(yōu)化等級(jí)，再次進(jìn)行驗(yàn)證。

驗(yàn)證用例簡(jiǎn)介

用例中主要使用函數(shù) mp3_dec_test_run() 執(zhí)行 MP3 解碼。

mp3_dec_test_run()

初始化 Helix MP3 Decoder。

循環(huán)尋找下一個(gè) MP3 的同步幀的起始位置，并開始解碼這一幀 MP3 原始數(shù)據(jù)，直至 MP3 文件全部解碼。

釋放 Helix MP3 Decoder。

循環(huán)上述的 MP3 解碼過(guò)程，循環(huán)次數(shù)為 test_times 次。

驗(yàn)證方法

開啟 SysTick 定時(shí)器，每毫秒產(chǎn)生一次中斷，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。

記錄開始驗(yàn)證的時(shí)間，調(diào)用 mp3_dec_test_run() 函數(shù)，test_times 為 10。

記錄驗(yàn)證結(jié)束的時(shí)間，打印驗(yàn)證花費(fèi)的時(shí)間。

驗(yàn)證結(jié)果

在 QSPI Flash（60MHz，30MHz），片內(nèi) SRAM 和片內(nèi) Flash 中運(yùn)行 Helix MP3 Decoder 所獲取的性能數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 各 Flash 運(yùn)行 Helix MP3 Decoder 的性能數(shù)據(jù)

以 -ofast 優(yōu)化為例，片內(nèi) SRAM 的運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)為基準(zhǔn)單位，各 Flash 進(jìn)行 Helix MP3 Decoder 運(yùn)算所需時(shí)長(zhǎng)對(duì)比，如圖4所示。

圖4 mp3 dec test 運(yùn)算速度對(duì)比 (-ofast)

驗(yàn)證程序

Helix MP3 Decoder 測(cè)試程序包含三種優(yōu)化等級(jí)程序：

o0 文件夾

編譯優(yōu)化選項(xiàng)為 -o0 的驗(yàn)證程序，包含片內(nèi) Flash，片內(nèi) SRAM 和 QSPI Flash 三種環(huán)境的工程。

ofast 文件夾

編譯優(yōu)化選項(xiàng)為 -ofast 的驗(yàn)證程序，包含片內(nèi) Flash，片內(nèi) SRAM 和 QSPI Flash 三種環(huán)境的工程。

oz 文件夾

編譯優(yōu)化選項(xiàng)為 -oz image size 的驗(yàn)證程序，包含片內(nèi) Flash，片內(nèi) SRAM 和 QSPI Flash 三種環(huán)境的工程。

當(dāng)程序運(yùn)行在片內(nèi) SRAM 或 QSPI Flash 時(shí)，需要 bootlader 進(jìn)行引導(dǎo)，三種環(huán)境下的 bootloader 結(jié)構(gòu)與 Arm CMSIS-DSP FFT 驗(yàn)證程序部分介紹的相同。

總結(jié)

本文通過(guò)在 QSPI Flash，片內(nèi) Flash 與片內(nèi) SRAM 中分別運(yùn)行測(cè)試工程 Arm CMSIS-DSP FFT、Mbed-TLS RSA1024 與 Helix MP3 Decoder，獲取微控制器性能數(shù)據(jù)，從而對(duì)比在不同 Flash 位置的執(zhí)行速度的差異。

通過(guò)對(duì)比上述驗(yàn)證數(shù)據(jù)可知：

不同型號(hào) QSPI Flash 的訪問(wèn)速度受 SCK 波特率影響，當(dāng)訪問(wèn) QSPI Flash 的方法一致時(shí)，不同型號(hào)的 QSPI Flash 訪問(wèn)速度一樣。

同一優(yōu)化選項(xiàng)下，使用不同驗(yàn)證程序，不同 Flash 位置的執(zhí)行速度存在一定差異。

MM32F5270 系列芯片具備 ICACHE 和 DCACHE，驗(yàn)證執(zhí)行速度比較小的程序，說(shuō)明具備良好的時(shí)間局部性和空間局部性，具有較高的 CACHE 命中率，減少了訪問(wèn) Flash 所花費(fèi)的時(shí)間；驗(yàn)證執(zhí)行速度比較大的程序，說(shuō)明執(zhí)行程序時(shí)，進(jìn)行了較多較大范圍的跳轉(zhuǎn)操作，需不斷訪問(wèn) Flash，刷新 CACHE，造成執(zhí)行速度變慢。

當(dāng)然，即使關(guān)閉 ICACHE 和 DCACHE，執(zhí)行速度比也是會(huì)存在一定差異的，這是由于 QSPI Flash 的訪問(wèn)方式中規(guī)定了不論讀取多少字節(jié)的數(shù)據(jù)，都會(huì)包含一個(gè)指令階段，一個(gè)地址階段和一個(gè)空指令階段，需要花費(fèi) 10 個(gè) SCK 時(shí)鐘周期，因此造成讀取 2n 字節(jié)數(shù)據(jù)花費(fèi)的時(shí)間和 n 字節(jié)數(shù)據(jù)花費(fèi)的時(shí)間，不是簡(jiǎn)單的二倍關(guān)系，造成執(zhí)行速度比存在一定差異。

關(guān)于靈動(dòng)

上海靈動(dòng)微電子股份有限公司成立于 2011 年，是中國(guó)本土領(lǐng)先的通用 32 位 MCU 產(chǎn)品及解決方案供應(yīng)商。公司基于 Arm Cortex-M 系列內(nèi)核開發(fā)的 MM32 MCU 產(chǎn)品擁有 F/G/L/A/SPIN/W 六大系列，目前已量產(chǎn)近 300多款型號(hào)，累計(jì)交付超 4 億顆，每年都有近億臺(tái)配備了靈動(dòng) MM32MCU 的優(yōu)秀產(chǎn)品交付到客戶手中，在本土通用 32 位 MCU 公司中位居前列。

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