STC8G1K单片机软件执行时间物理测量

为了能够评估STC8G1K08单片机算法的效率，需要有一种能够直接测量单片机程序执行时间的物理方法。使用单片机的一个管脚的变化来表明软件流程的起始和结束，从外部通过示波器等手段测量脉冲的宽度，便可以有效衡量单片机软件执行流程的时间。

下面通过一些基本实验来衡量这种方法的有效性。

实验平台

实验电路板在博文“8G1K实验电路板”给出了描述。使用单片机P3.2管脚来只是程序的起始和结束。

该管脚在初始化的时候输出模式设置为：PUSH-PULL。

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

PM_PP(FLAG_PIN);

单片机的运行时钟频率为：
$f_{sys} = 35 \times 10^6 Hz$

典型时间测量

1. 相邻ON,OFF指令

ON,OFF是定义的宏指令，实际就是对sbit赋值指令。

#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)

这应该是改变MCU输出管脚电平最为简介的指令了。下面通过测量连续ON,OFF 指令，测量对应管脚信号的变化情况。

        ON(FLAG_PIN);
        OFF(FLAG_PIN);

测量FLAG_PIN输出信号入下图所示，在波形的上升和下降起始位置之间的时间大约为： $t_1 = 30ns$。

由于MCU系统频率为 $f_{sys} = 35ns$，所以 $t_1$大约等于系统频率的倒数： $t_1 \approx {1 \over {f_{sys} }} = {1 \over {35 \times 10^6 }}$

^{▲ P3.2输出波形}

使用ON，OFF命令测量实际执行时间的时候，需要将测量时间减去MCU工作的指令周期，也就是 $t_1$。

2. 使用TOGGLE指令

根据前面定义TOGGLE宏命令，该指令是8051中指令对sbit取反操作，使用连续两次取反，可以使得管脚输出举行脉冲。

最终所测量得到的脉冲与前面连续ON，OFF脉冲相同。

3. 测量_NOP_时间间隔

在ON,OFF指令之间增加nop命令，则会反映出单个NOP命令的执行时间。

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

测量结果如下图所示。相邻上升沿和下降沿之间的时间大约为60ns，相当于两个系统指令周期。

^{▲ 增加NOP指令之后的P3.2管脚信号}

变量操作运行时间

1. unsigned char

（1）赋值语句： unsigned char c1 = 1;
执行时间为Tmcu=30ns。

（2）加法指令： unsigned char c1,c2; c1=c1+c2;
执行时间：3个Tmcu=90ns。

（3）减法指令： c1=c1-c2 执行时间：4个Tmcu=120ns;

（4）乘法指令： c1=c1*c2
执行时间5个Tmcu=150ns。

（5）除法指令： c1=c1/c2
执行时间：300ns。

2. unsigned int

（1）赋值语句： unsigned int n1 = 1;

执行时间：2Tmcu=60ns;

（2）加法： n1=n1+n2;
执行时间： 6Tmcu = 180ns。

（3）减法： n1=n1-n2;
执行时间： 7Tmcu=210ns。

（4）乘法： n1=n1*n2;

执行时间：25Tmcu=810ns

（5）除法指令： n1=n1/n2
执行时间：5us;

3. unsigned long

（1）赋值语句： unsigned int n1 = 1;

执行时间：150ns;

（2）加法： n1=n1+n2;
执行时间： 12TMuc = 360ns;

（3）减法： n1=n1-n2;
执行时间： 410ns

（4）乘法： n1=n1*n2;

执行时间：2.65us

（5）除法指令： n1=n1/n2
执行时间：18.3us;

对于32bit（long）ckzo ,乘法和除法都比较消耗时间，利用8G内部的MDU16（32位乘法/除法）单元，可以加快相应的计算结果。下面给出了数据手册中相关的运行速度说明。

^{▲ MDU16不同操作所需要的时钟数量}

4. float

（1）赋值语句： f1 = 34.340;

执行时间：180ns;

（2）加法： f1=f1+f2
执行时间： 7.04us。

（3）减法： f1=f1-f2;
执行时间： 6.1us。

（4）乘法： f1=f1*f2;

执行时间：5.56us;

从现实的波形上来看，在执行过程中出现了不同的执行时间。使用EA = 0，来关闭全局终点，依然会出现这种情况。这说明不是中断引起的执行时间的差异。

^{▲ 出现不同的执行时间}

（5）除法指令： f1=f1/f2;
执行时间：1.84us;

5. double

（1）赋值语句： f1 = 34.340;

执行时间: 180ns;

（2）加法： f1=f1+f2
执行时间： 6.18us。

（3）减法： f1=f1-f2;
执行时间： 1.94us。

（4）乘法： f1=f1*f2;

执行时间：2.14us;

注意：这个执行时间比起float还要短？为什么呢？

（5）除法指令： f1=f1/f2;
执行时间：1.84us;