RISC-V (CH32V103)与Cortex-M3内核(CH32F103)单片机中断延时测评

news/2024/11/7 20:51:05/

最近在学习RISC-V架构的MCU，特地学习了一下“中断处理机制”，对比之前使用过的Cortex-M3内核单片机，研究它们在中断执行和处理上的差异和效率。

样品选择

CH32V103C8T6和CH32F103C8T6

  • CH32V103C8T6，沁恒微电子的RSIC-V架构32位通用型MCU，支持IMAC指令集，内置PFIC中断控制器。PFIC是该公司自研设计的结构，所以用法上有独自的特色，部分功能还需搭配软件平台（推荐MRS IDE）实现。
  • CH32F103C8T6，Cortex-M3内核32位通用型MCU，内置NVIC中断控制器。资源及软件工具兼容市场上主流的设备（如Keil、Link等）。

测试方法

中断延迟（响应）时间，即从中断触发条件产生到执行中断服务（用户代码）的时间。
方法：使用芯片自带的定时器资源，通过定时器具有的自动重加载功能，无需软件代码参与。设置一个1000周期并且计数递减的定时器，当定时器当前计数值由1变为0时，会触发硬件中断同时定时器本身也会重加载计数器值为1000继续递减工作，MCU内核系统在一系列操作后最终执行定时器的中断服务程序。在此服务程序开头进行当前定时器计数值的保存，然后关闭定时器，输出保持的数值，清除中断标志。通过换算与1000的差值，得到的就是大概的中断响应时间（其实这个时间应该再减去对计数值保存的指令代码，后面会提到）。
为了单纯测试内核设计，排除其他因素影响，我们采用较低的频率，以时钟周期为单位进行测试计算。因为在此测试过程中，会涉及MCU内部的内核中断处理逻辑、flash读取（代码指令）、数据操作（SRAM）等几个大方面，其中flash有等待周期，可能不同的硬件平台结果不一样，所以使用较低的主频，可以降低非内核处理的其他因素影响结果

测试

硬件平台CH32F103开发板，下载最新EVT包，进行代码修改。使用Keil编译器

C代码，如下：

#include "debug.h"/*******************************************************************************
* Function Name  : TIM1Init
* Description    : 
* Input          : None
* Return         : None
*******************************************************************************/
void TIM1Init(void)
{TIM_TimeBaseInitTypeDef  TimeBase_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE );TimeBase_InitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;TimeBase_InitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Down;TimeBase_InitStructure.TIM_Period = 1000;TimeBase_InitStructure.TIM_Prescaler = 0;TIM1->CNT = 1000;TIM_TimeBaseInit( TIM1, &TimeBase_InitStructure );TIM_ClearITPendingBit( TIM1, 0X0FF);TIM_ITConfig( TIM1, TIM_IT_Update, ENABLE );NVIC_EnableIRQ( TIM1_UP_IRQn );TIM_Cmd( TIM1, ENABLE );
}
/*******************************************************************************
* Function Name  : main
* Description    : Main program.
* Input          : None
* Return         : None
*******************************************************************************/
unsigned short cnt;int main(void)
{RCC_ClocksTypeDef  Clocks_InitStructure;Delay_Init();USART_Printf_Init(115200);RCC_GetClocksFreq( &Clocks_InitStructure );printf("HCLK:%d\r\n",Clocks_InitStructure.SYSCLK_Frequency);printf("APB2Clk:%d\r\n",Clocks_InitStructure.PCLK2_Frequency);printf("APB1Clk:%d\r\n",Clocks_InitStructure.PCLK1_Frequency);Delay_Ms( 200 );TIM1Init();while(1){	;}
}
void TIM1_UP_IRQHandler(void)
{cnt = TIM1->CNT;TIM_Cmd( TIM1, DISABLE );printf("#%d\n",cnt);    if(TIM_GetFlagStatus( TIM1, TIM_FLAG_Update )!=RESET){TIM_ClearITPendingBit( TIM1, TIM_IT_Update );     /* Clear Flag */}
}

中断部分进行反汇编，如下：

                 TIM1_UP_IRQHandler PROC
;;;63     void TIM1_UP_IRQHandler(void)
00008e  b570              PUSH     {r4-r6,lr}
;;;64     {
;;;65         cnt = TIM1->CNT;
000090  480d              LDR      r0,|L1.200|
000092  8800              LDRH     r0,[r0,#0]
000094  4c19              LDR      r4,|L1.252|
;;;66         TIM_Cmd( TIM1, DISABLE );
000096  4d0c              LDR      r5,|L1.200|
000098  2100              MOVS     r1,#0
00009a  8020              STRH     r0,[r4,#0]            ;65
00009c  3d24              SUBS     r5,r5,#0x24
00009e  4628              MOV      r0,r5
0000a0  f7fffffe          BL       TIM_Cmd
;;;67         printf("#%d\n",cnt);    
0000a4  8821              LDRH     r1,[r4,#0]  ; cnt
0000a6  a016              ADR      r0,|L1.256|
0000a8  f7fffffe          BL       __2printf
;;;68         
;;;69         if(TIM_GetFlagStatus( TIM1, TIM_FLAG_Update )!=RESET)
0000ac  2101              MOVS     r1,#1
0000ae  4628              MOV      r0,r5
0000b0  f7fffffe          BL       TIM_GetFlagStatus
0000b4  2800              CMP      r0,#0
0000b6  d005              BEQ      |L1.196|
;;;70         {
;;;71             TIM_ClearITPendingBit( TIM1, TIM_IT_Update );     /* Clear Flag */
0000b8  4628              MOV      r0,r5
0000ba  e8bd4070          POP      {r4-r6,lr}
0000be  2101              MOVS     r1,#1
0000c0  f7ffbffe          B.W      TIM_ClearITPendingBit|L1.196|
;;;72         }
;;;73     }
0000c4  bd70              POP      {r4-r6,pc}
;;;74     ENDP

代码中大部分使用的驱动库编写方式，但在定时中断服务函数中获取当前定时器值采用寄存器访问方式，为了减少代码指令，快速访问到。还需注意，使用“TIM_TimeBaseInit()”函数体，完成后会立刻产生中断标志，所以在开启中断使能前要清除中断标志，否则测试的值不对。

运行结果
F103平台运行结果
从串口打印结果上可以看到，输出当前计数值为980，那么可以预估在中断服务中获取到计数器的差值时间为20个系统周期。看下汇编代码（下图），已提取了有效信息并做解释。

F103汇编解释
从图上的解释可以看到，在‘5’时，将“TIM1->CNT”寄存器的值保存到全局变量的“cnt”中，但是在步骤‘3’时，已经拿到了“TIM1->CNT”寄存器的值。所以最终差值结果的20个周期时间是中断延迟时间+汇编“1-3”指令执行时间。
我没有在相关手册内部找到关于M3指令执行时间的具体说明，按一般设计，这种汇编指令执行需要2-3个周期，所以我推断上述中断服务的汇编指令大约占用了8个周期，那么实际的中断延迟大约占用了12个周期。

硬件平台CH32V103开发板，下载最新EVT包，进行代码修改。

此颗MCU是RISC-V架构，所以选择了MounRiver Studio IDE环境进行编译，源代码部分和CH32F103一样可以保持不变。沁恒为代码兼容做了处理，大部分都可以使用F103上的函数名称和写法。

因为更换了硬件和软件平台，中断的写法有稍微区别，书写一个中断服务函数时，需要为其声明中断属性，即在函数名前添加__attribute__((interrupt()))（原生工具链），这样IDE在进行编译时，会将此函数体识别为中断服务函数，主动添加“压栈出栈”处理及中断返回指令。

C代码，如下：

#include "debug.h"
/*******************************************************************************
* Function Name  : TIM1Init
* Description    :
* Input          : None
* Return         : None
*******************************************************************************/
void TIM1Init(void)
{TIM_TimeBaseInitTypeDef  TimeBase_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE );TimeBase_InitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;TimeBase_InitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Down;TimeBase_InitStructure.TIM_Period = 1000;TimeBase_InitStructure.TIM_Prescaler = 0;TIM1->CNT = 1000;TIM_TimeBaseInit( TIM1, &TimeBase_InitStructure );TIM_ClearITPendingBit( TIM1, 0X0FF);TIM_ITConfig( TIM1, TIM_IT_Update, ENABLE );NVIC_EnableIRQ( TIM1_UP_IRQn );TIM_Cmd( TIM1, ENABLE );
}
/*******************************************************************************
* Function Name  : main
* Description    : Main program.
* Input          : None
* Return         : None
*******************************************************************************/
unsigned short cnt;int main(void)
{RCC_ClocksTypeDef  Clocks_InitStructure;Delay_Init();USART_Printf_Init(115200);RCC_GetClocksFreq( &Clocks_InitStructure );printf("HCLK:%d\r\n",Clocks_InitStructure.SYSCLK_Frequency);printf("APB2Clk:%d\r\n",Clocks_InitStructure.PCLK2_Frequency);printf("APB1Clk:%d\r\n",Clocks_InitStructure.PCLK1_Frequency);Delay_Ms( 200 );TIM1Init();
//    NVIC_SetFastIRQ( TIM1_UP_IRQHandler, TIM1_UP_IRQn, 0);while(1){;}
}
__attribute__((interrupt()))
void TIM1_UP_IRQHandler(void)
{cnt = TIM1->CNT;TIM_Cmd( TIM1, DISABLE );printf("#%d\n",cnt);if(TIM_GetFlagStatus( TIM1, TIM_FLAG_Update )!=RESET){TIM_ClearITPendingBit( TIM1, TIM_IT_Update );     /* Clear Flag */}
}

中断部分进行反汇编，如下：

00000286 <TIM1_UP_IRQHandler>:286:	715d                	addi	sp,sp,-80288:	de22                	sw	s0,60(sp)28a:	40013437          	lui	s0,0x4001328e:	d03e                	sw	a5,32(sp)290:	c2445783          	lhu	a5,-988(s0) # 40012c24 <_eusrstack+0x2000dc24>294:	c0040413          	addi	s0,s0,-1024298:	dc26                	sw	s1,56(sp)29a:	da2a                	sw	a0,52(sp)29c:	d82e                	sw	a1,48(sp)29e:	4581                	li	a1,02a0:	8522                	mv	a0,s02a2:	c686                	sw	ra,76(sp)2a4:	c496                	sw	t0,72(sp)2a6:	c29a                	sw	t1,68(sp)2a8:	c09e                	sw	t2,64(sp)2aa:	d632                	sw	a2,44(sp)2ac:	d436                	sw	a3,40(sp)2ae:	d23a                	sw	a4,36(sp)2b0:	ce42                	sw	a6,28(sp)2b2:	cc46                	sw	a7,24(sp)2b4:	ca72                	sw	t3,20(sp)2b6:	c876                	sw	t4,16(sp)2b8:	c67a                	sw	t5,12(sp)2ba:	c47e                	sw	t6,8(sp)2bc:	82f19023          	sh	a5,-2016(gp) # 20000090 <cnt>2c0:	2e79                	jal	65e <TIM_Cmd>2c2:	8201d583          	lhu	a1,-2016(gp) # 20000090 <cnt>2c6:	00002537          	lui	a0,0x22ca:	a0850513          	addi	a0,a0,-1528 # 1a08 <_sbrk+0x20>2ce:	23cd                	jal	8b0 <iprintf>2d0:	4585                	li	a1,12d2:	8522                	mv	a0,s02d4:	2e75                	jal	690 <TIM_GetFlagStatus>2d6:	c501                	beqz	a0,2de <TIM1_UP_IRQHandler+0x58>2d8:	4585                	li	a1,12da:	8522                	mv	a0,s02dc:	26c1                	jal	69c <TIM_ClearITPendingBit>2de:	5472                	lw	s0,60(sp)2e0:	40b6                	lw	ra,76(sp)2e2:	42a6                	lw	t0,72(sp)2e4:	4316                	lw	t1,68(sp)2e6:	4386                	lw	t2,64(sp)2e8:	54e2                	lw	s1,56(sp)2ea:	5552                	lw	a0,52(sp)2ec:	55c2                	lw	a1,48(sp)2ee:	5632                	lw	a2,44(sp)2f0:	56a2                	lw	a3,40(sp)2f2:	5712                	lw	a4,36(sp)2f4:	5782                	lw	a5,32(sp)2f6:	4872                	lw	a6,28(sp)2f8:	48e2                	lw	a7,24(sp)2fa:	4e52                	lw	t3,20(sp)2fc:	4ec2                	lw	t4,16(sp)2fe:	4f32                	lw	t5,12(sp)300:	4fa2                	lw	t6,8(sp)302:	6161                	addi	sp,sp,80304:	30200073          	mret

根据沁恒微电子对其芯片的描述，提供了“中断硬件级的压栈和出栈处理”，所以上段描述的编译软件自动添加“压栈出栈”指令就显得多余了。所以该公司根据CH32V103芯片设计优化了原生工具链（GCC提供的RISC-V工具链），通过在中断服务函数前添加__attribute__((interrupt("WCH-Interrupt-fast")))，取消软件添加压栈出栈指令。

//__attribute__((interrupt()))
__attribute__((interrupt("WCH-Interrupt-fast")))
void TIM1_UP_IRQHandler(void)
{cnt = TIM1->CNT;TIM_Cmd( TIM1, DISABLE );printf("#%d\n",cnt);if(TIM_GetFlagStatus( TIM1, TIM_FLAG_Update )!=RESET){TIM_ClearITPendingBit( TIM1, TIM_IT_Update );     /* Clear Flag */}
}

00000286 <TIM1_UP_IRQHandler>:286:	1141                	addi	sp,sp,-16288:	c622                	sw	s0,12(sp)28a:	40013437          	lui	s0,0x4001328e:	c2445783          	lhu	a5,-988(s0) # 40012c24 <_eusrstack+0x2000dc24>292:	c0040413          	addi	s0,s0,-1024296:	c426                	sw	s1,8(sp)298:	4581                	li	a1,029a:	8522                	mv	a0,s029c:	82f19023          	sh	a5,-2016(gp) # 20000090 <cnt>2a0:	2ebd                	jal	61e <TIM_Cmd>2a2:	8201d583          	lhu	a1,-2016(gp) # 20000090 <cnt>2a6:	00002537          	lui	a0,0x22aa:	9c850513          	addi	a0,a0,-1592 # 19c8 <_sbrk+0x20>2ae:	23c9                	jal	870 <iprintf>2b0:	4585                	li	a1,12b2:	8522                	mv	a0,s02b4:	2e71                	jal	650 <TIM_GetFlagStatus>2b6:	c501                	beqz	a0,2be <TIM1_UP_IRQHandler+0x38>2b8:	4585                	li	a1,12ba:	8522                	mv	a0,s02bc:	2645                	jal	65c <TIM_ClearITPendingBit>2be:	4432                	lw	s0,12(sp)2c0:	44a2                	lw	s1,8(sp)2c2:	0141                	addi	sp,sp,162c4:	30200073          	mret

运行结果，以__attribute__((interrupt("WCH-Interrupt-fast")))结果如下：
V103运行结果
从串口打印结果上可以看到，输出当前计数值为986，预估中断服务中获取到计数器的差值时间为14个系统周期。看下汇编代码（下图），已提取了有效信息并做解释。
V103汇编解释
从上图的反汇编过程，我们可以看到屏蔽了软件压栈后RISC-V结构的中断处理过程。首次通过2条指令（1-2）处理sp堆栈保存。当前函数使用的Callee属性寄存器越多，调用“sw”保存的越多。然后获取外设寄存器基地址到内部s0寄存器中（3），然后通过“lhu”Load指令将定时器当前计数值寄存器的值保存到a5寄存器中，直到图上5处才写入到全局变量cnt中。所以最终结果的14个周期差值时间应该是中断延迟时间+汇编“1-4”指令执行时间。按照沁恒给出的设计指标，2和4执行各占用2周期，其他占用1个周期，那么汇编执行占用约6个周期，中断延迟时间约为8个周期。

CH32V103还提供了4路快速中断通道，即中断触发不从向量表取指令，而是直接到中断服务入口，少一次指令跳转。软件代码上在初始化配置上，增加“NVIC_SetFastIRQ(TIM1_UP_IRQHandler,TIM1_UP_IRQn,0)”，将定时器1的中断服务入口配置到快速通道0上。（注意，这种方法没有限制中断服务的位置，可以在SRAM区也可以在Code区，如果为了提供更快的指令执行速度，可以将中断服务放入SRAM区，再配置给快速通道，而不用修改中断向量表基地址），如下运行结果：

V103RESULT_direct
从串口打印结果上可以看到，输出当前计数值为988，快速通道方法比前一种情况速度又快了2个周期，仅需12个系统周期。

总结

通过Cortex-M3指南描述，当CM3开始响应一个中断时，会同步进行3项工作。1.入栈，将8个内部寄存器通过硬件自动保存到SRAM中；2.取向量，从向量表中找到对应的服务程序入口地址；3.选择堆栈指针，更新堆栈指针sp、LR寄存器、PC计数器。其中应该属于第一项工作花费时间最长，需要多个周期才能完成数据保存，但是由于采用不同的总线，所以几项工作可以同步执行。所以文档中描述“中断延迟”为：若存储器系统够快，且总线系统允许入栈与取指同时进行，同时该中断可以立即响应，则中断延迟是雷打不动的12周期（满足硬实时所要求的确定性）
而沁恒的RISC-V架构中，一般的中断方式，我们实验测得“中断延迟”约为8个周期，据其设计描述，入栈采用的硬件存储方式，仅需要1个周期就可以完成，剩下的时间包括内核中断挂起、取向量表指令、跳转等时间需要5-6个周期。
2种内核架构使用的是不同的中断处理结构，在时间上沁恒RISC-V中断延迟处理更优，没有入栈存储器的动作也意味着没有存储器出栈的动作，可以完成中断服务内容后更快的返回。以上是单独针对“内核中断延迟”性能方面的比较，但是实际应用中，需要从存储器中取指，如果存储器太慢而引入等待周期或者还有其他因素，则会引入额外的延时，导致整体效果变慢。此外，测试单位是以系统时钟计算，如果单位时间足够的快，貌似几个周期的差值时间似乎没有那么明显，但是高的系统频率会带来存储器的等待延时周期加大或者其他因素，反而降低代码效率，所以不能以单个方面的好评估，具体还是要看应用场景和需求选择合适的MCU产品。


http://www.ppmy.cn/news/180422.html

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简介 串口服务器&#xff0c;提供串口转网络的功能&#xff0c;将串口转换成TCP/IP协议网络接口&#xff0c;实现串口和网络接口的数据双向透明传输&#xff0c;扩展串口设备的通讯距离。 赤菟V307是搭载沁恒自研RISC-V内核青稞V4F的高性能互联型MCU&#xff0c;主频支持144M…
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6、Lctech Pi(F1C200S)4.3寸(480*272)16位RGB565LCD屏驱动适配(CherryPi，Mangopi，F1C100S)

6、Lctech Pi(F1C200S)4.3寸(480*272)16位RGB565LCD屏驱动适配(CherryPi，Mangopi，F1C100S)

本次主要参考&#xff1a; https://blog.csdn.net/wending1986/article/details/106837597/ http://blog.chinaunix.net/uid-20543672-id-3246283.html https://wiki.sipeed.com/soft/Lichee/zh/Nano-Doc-Backup/index.html 李山文大佬 &#xff08;如果方便请给这几位大佬一个…
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嵌入式Linux--荔枝派Zero--V3s--ST7789v

嵌入式Linux--荔枝派Zero--V3s--ST7789v

文章目录 前言血的教训&#xff1a;没有CS引脚是没法运行的&#xff01; 一、原理图二、ubootU-Boot编译配置文件编译uboot 三、Linux Kernel四、设备树第一步&#xff1a;注释掉自带的视频输出第二步&#xff1a;增加屏幕驱动节点 五、烧录荔枝派是怎么启动的TF卡上需要有什么…
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全志v3s学习笔记（5）——主线Linux编译与烧录

全志v3s学习笔记（5）——主线Linux编译与烧录

一、安装交叉编译环境 交叉编译环境跟uboot使用的一样。 参考&#xff1a;arm-linux-gnueabihf 交叉编译工具链安装 二、下载linux源码 # 默认是zero-4.10.y分支&#xff1a; git clone https://github.com/Lichee-Pi/linux.git# 或者zero-4.13.y对网卡的支持更好 git clone …
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台式 华硕 win7 耳机 插到 主机 耳机没有声音

台式 华硕 win7 耳机 插到 主机 耳机没有声音

台式接了显示器的&#xff0c;显示器下面有个耳机接口&#xff0c;因此就有一个显示器音频。那个地方接耳机有声音的。 在主机哪里有耳机接口&#xff0c;插上没声音&#xff0c;我以为下个驱动精灵&#xff0c;就能解决。然而驱动精灵驱动以后&#xff0c;还是耳机还是没声音…
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