為了演示MAXQ微控制器的功能，我們采用了為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的微控制器編寫的基準(zhǔn)代碼，并在MAXQ2000上運(yùn)行。結(jié)果表明，MAXQ是目前最好的16位微控制器內(nèi)核之一。

介紹

MAXQ獨(dú)特的轉(zhuǎn)換觸發(fā)架構(gòu)使其成為16位微控制器市場(chǎng)中的佼佼者。MAXQ指令集具有單時(shí)鐘和指令周期運(yùn)算，用于跳轉(zhuǎn)、調(diào)用、返回、環(huán)路控制和算術(shù)運(yùn)算。因此，MAXQ使應(yīng)用能夠在比其他微控制器更短的時(shí)間內(nèi)處理更多的數(shù)據(jù)。因此，設(shè)計(jì)人員可以在其應(yīng)用中添加更多功能，或者通過快速完成所需任務(wù)并在低功耗停止模式下花費(fèi)更多時(shí)間來(lái)降低功耗。

為了演示MAXQ的競(jìng)爭(zhēng)分析能力，我們采用了為展示MSP430而編寫的基準(zhǔn)代碼，在MAXQ上運(yùn)行，并監(jiān)測(cè)MAXQ的性能。競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的代碼最初使MAXQ函數(shù)相對(duì)較慢且效率低下。后來(lái)，當(dāng)Rowley高度優(yōu)化的MAXQ編譯器向市場(chǎng)發(fā)布時(shí)，我們重新運(yùn)行了基準(zhǔn)測(cè)試代碼。我們發(fā)現(xiàn)Rowley的編譯器更有效地使用了MAXQ架構(gòu)特性，并且MAXQ的性能優(yōu)于德州儀器（TI）MSP430和Atmel AVR。MAXQ在更少的時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行相同的代碼。此外，這種加速的性能并沒有因?yàn)轭~外的代碼大小而對(duì)用戶造成不利影響——MAXQ的代碼大小在競(jìng)爭(zhēng)代碼大小的2%以內(nèi)。

本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了我們對(duì)MAXQ、Atmel AVR和TI MSP430架構(gòu)的研究。這項(xiàng)研究是透明的——沒有編譯器優(yōu)化的技巧或?qū)ｉT的代碼來(lái)迫使一個(gè)微控制器比另一個(gè)微控制器表現(xiàn)得更好。模擬網(wǎng)站上提供了項(xiàng)目文件和源代碼，以便可以復(fù)制結(jié)果。

關(guān)于方法的注意事項(xiàng)

在本次研究的兩個(gè)編譯器IAR Embedded Workbench和Rowley CrossWorks中，我們使用Rowley的編譯器來(lái)生成MAXQ的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，因?yàn)樗浞掷昧薓AXQ功能。IAR 和 Rowley 編譯器結(jié)果均用于 MSP430 和 AVR 微控制器測(cè)試。

執(zhí)行時(shí)間數(shù)據(jù)是使用IAR的嵌入式工作臺(tái)和Rowley的CrossWorks工具集附帶的模擬器收集的。計(jì)算的執(zhí)行周期不包括啟動(dòng)時(shí)間;計(jì)數(shù)從 main（） 函數(shù)的入口點(diǎn)開始，以 main（） 函數(shù)的 return 語(yǔ)句結(jié)束。

代碼大小以字節(jié)為單位，包括常量和代碼段。這是因?yàn)槟承┕ぞ咴?CODE 段中包含應(yīng)用程序常量，這會(huì)使設(shè)備的代碼密度錯(cuò)誤地顯示為高。組合 CODE 和 CONSTANT 段的大小可確保等效比較。

通常，我們將編譯器配置為對(duì)所有設(shè)備使用其最高代碼優(yōu)化級(jí)別。這通常意味著在面向最小代碼大小時(shí)啟用所有優(yōu)化，在面向最快代碼時(shí)啟用幾乎所有優(yōu)化（因?yàn)槟承┚幾g器優(yōu)化會(huì)犧牲速度來(lái)?yè)Q取代碼大小）。在某些情況下，高優(yōu)化設(shè)置會(huì)導(dǎo)致問題 - 生成的代碼無(wú)法正確模擬，從未到達(dá) return 語(yǔ)句。通常，當(dāng)優(yōu)化級(jí)別更改時(shí)，代碼開始工作。我們將指出何時(shí)需要降低優(yōu)化級(jí)別。本應(yīng)用筆記隨附的項(xiàng)目文件包含用于生成基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的優(yōu)化設(shè)置。

TI 基準(zhǔn)測(cè)試

該基準(zhǔn)測(cè)試是德州儀器發(fā)布的一套測(cè)試，用于展示 MSP430。該套件包含 10 個(gè)單獨(dú)的基準(zhǔn)測(cè)試：

8 位數(shù)學(xué)例程

8 位矩陣（陣列）訪問

8 位開關(guān)語(yǔ)句

16 位數(shù)學(xué)例程

16 位矩陣（陣列）訪問

16 位開關(guān)語(yǔ)句

32 位數(shù)學(xué)例程

浮點(diǎn)數(shù)學(xué)例程

有限脈沖響應(yīng)算法

矩陣乘法

按照TI測(cè)試參數(shù)，MAXQ表現(xiàn)不佳。它生成的代碼比大多數(shù)其他微控制器更大、更慢。當(dāng)然，TI 研究表明 MSP430 是比較中的贏家。然而，透明國(guó)際的方法存在缺陷，需要進(jìn)一步分析。因此，我們研究了MAXQ在Rowley CrossWorks編譯器上的表現(xiàn)。

TI 結(jié)果

TI 研究提供了執(zhí)行速度（以時(shí)鐘周期為單位）和代碼密度（以字節(jié)為單位）的結(jié)果，如表 1 和表 2 所示。請(qǐng)注意，某些器件名稱（直接取自TI應(yīng)用筆記）不清楚。例如，8051 是指 12 時(shí)鐘、6 時(shí)鐘、4 時(shí)鐘甚至 1 時(shí)鐘 8051 架構(gòu)嗎？

根據(jù)這些數(shù)據(jù)，MSP430 產(chǎn)生的代碼密度最高，比 Atmel AVR 微控制器小 45%。MSP430 似乎也表現(xiàn)最佳，但 32 位 ARM 處理器除外。這些結(jié)果還表明，MAXQ相對(duì)較慢且效率低下。

TI 基準(zhǔn)研究的缺陷

透明國(guó)際制定基準(zhǔn)的方式提出了一些問題。

第一個(gè)問題是TI在他們的研究中沒有使用任何優(yōu)化。TI反對(duì)編譯器優(yōu)化，以便將編譯器從考慮范圍中移除，并使微控制器自行執(zhí)行。這個(gè)論點(diǎn)的問題在于工程師仍然使用編譯器來(lái)生成機(jī)器代碼。如果編譯器在未啟用優(yōu)化時(shí)未利用微控制器的架構(gòu)功能，則無(wú)法實(shí)際了解微控制器的性能。此外，基準(zhǔn)測(cè)試只有在模擬實(shí)際應(yīng)用程序時(shí)才有價(jià)值。工程師可能會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)化尺寸或速度，因此這些應(yīng)作為基準(zhǔn)研究的一部分。

TI 基準(zhǔn)測(cè)試研究中的第二個(gè)缺陷是他們只考慮了一個(gè)編譯器。誠(chéng)然，當(dāng)時(shí) TI 無(wú)法使用 Rowley 編譯器?，F(xiàn)在可用，Rowley 編譯器極大地更新了早期的 TI 結(jié)果。

馬克西姆的方法

如上所述，我們對(duì) TI 基準(zhǔn)測(cè)試的重新評(píng)估主要集中在 MSP430、Atmel AVR 和 MAXQ 架構(gòu)上。我們考慮了IAR Embedded Workbench和Rowley CrossWorks工具集的執(zhí)行和代碼大小數(shù)據(jù)。所有執(zhí)行速度的結(jié)果均通過仿真得到。

本研究中的MAXQ器件是MAXQ2000微控制器。除了包括LCD控制器在內(nèi)的一系列外設(shè)外，MAXQ2000還具有16個(gè)16位累加器和一個(gè)16 x 16硬件乘法加速器。在這項(xiàng)研究中，我們?cè)谒腥齻€(gè)被測(cè)器件上都啟用了硬件乘法器——我們假設(shè)如果數(shù)學(xué)計(jì)算（如FIR濾波器）的性能很重要，設(shè)計(jì)人員會(huì)選擇帶有乘法加速器的微控制器。

對(duì)于 MSP430 器件，我們以 MSP430F149 為目標(biāo)，這與他們研究中針對(duì)的 TI 器件 （MSP430F135） 不同。我們之所以選擇F149，是因?yàn)樗幸粋€(gè)硬件乘法單元，使得與MAXQ2000的比較更加公平。

之所以選擇ATmega8進(jìn)行研究，是因?yàn)楫?dāng)前的IAR編譯器可以使用該微控制器的硬件乘法器生成代碼。IAR 編譯器無(wú)法對(duì)其他 AVR 設(shè)備（如 ATmega64 或 ATmega128）執(zhí)行此操作。

從這兩個(gè)工具集中收集基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果非常簡(jiǎn)單。在 IAR 中，代碼大小數(shù)據(jù)位于映射文件（確保它是在“項(xiàng)目選項(xiàng)”→“鏈接器→列表”下生成的）。向下滾動(dòng)到地圖文件的底部，將顯示以下三行：

184字節(jié)代碼存儲(chǔ)器 80字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

66字節(jié)CONST存儲(chǔ)器

如前所述，我們將 CODE 和 CONST 內(nèi)存部分都計(jì)入總代碼大小，因?yàn)榫幾g器在放置常量程序數(shù)據(jù)的位置上有所不同。對(duì)于測(cè)試，比較代碼大小的唯一合法方法是包含常量大小。

若要在 IAR 中查找執(zhí)行周期，請(qǐng)選擇模擬器作為調(diào)試工具并開始調(diào)試。在“查看→分析”下啟動(dòng)代碼分析器。單擊“激活”按鈕和“自動(dòng)刷新”按鈕（請(qǐng)參閱圖 1）。調(diào)試器應(yīng)自動(dòng)運(yùn)行到 C 代碼的第一行。按 Run 鍵，（如果未設(shè)置斷點(diǎn)）IAR 調(diào)試器在程序退出時(shí)終止。查看代碼探查器，并在 main（） 的“累積時(shí)間”下報(bào)告 周期數(shù) - 這是在主例程和 main 調(diào)用的所有子例程中花費(fèi)的周期數(shù)。

圖1.IAR 代碼探查器：累計(jì)時(shí)間（周期）是指在該例程及其調(diào)用的所有子例程中花費(fèi)的周期數(shù)。

在 Rowley 工具集中查找生成的代碼大小也非常容易。生成項(xiàng)目時(shí)，項(xiàng)目資源管理器會(huì)隨項(xiàng)目一起列出代碼大小。圖 2 顯示，對(duì)于 MSP430F149，16 位數(shù)學(xué)基準(zhǔn)測(cè)試代碼大小為 238 字節(jié)。

圖2.Rowley 項(xiàng)目資源管理器顯示每個(gè)項(xiàng)目的代碼大小詳細(xì)信息。

在 Rowley 工具中確定執(zhí)行周期數(shù)并不像使用 IAR 那么容易 - Rowley 不會(huì)在程序結(jié)束時(shí)自動(dòng)停止，也不會(huì)分離周期的花費(fèi)位置。您必須在進(jìn)入主程序時(shí)重置循環(huán)計(jì)數(shù)器。為此，請(qǐng)首先開始調(diào)試程序。當(dāng)編譯器在 main 的入口點(diǎn)停止時(shí)，雙擊它來(lái)重置循環(huán)計(jì)數(shù)器。

圖3.當(dāng) Rowley 模擬器在 main（） 處停止時(shí)，雙擊它來(lái)重置循環(huán)計(jì)數(shù)器（帶有沙漏的圖片）。

接下來(lái)，在應(yīng)用程序末尾設(shè)置斷點(diǎn)。（請(qǐng)注意，邊距中帶有藍(lán)色三角形的線條指示可以設(shè)置斷點(diǎn)的位置。運(yùn)行到斷點(diǎn)并記錄報(bào)告的周期數(shù)。

使用羅利模擬器還有其他可能的并發(fā)癥。

根據(jù)優(yōu)化的不同，您可能只能在程序集級(jí)別進(jìn)行模擬，在這種情況下，很難找到應(yīng)用程序的末尾。最好的方法是掃描代碼并在程序集代碼中找到下一個(gè) RETURN 語(yǔ)句，在那里設(shè)置斷點(diǎn)，然后運(yùn)行到該語(yǔ)句。

模擬器可能并不總是在主入口點(diǎn)停止。發(fā)生這種情況時(shí)，請(qǐng)嘗試按“重新啟動(dòng)調(diào)試”按鈕。您可能還需要手動(dòng)查找主入口點(diǎn)并在那里設(shè)置斷點(diǎn)。

編譯器設(shè)置

使用 IAR 工具集時(shí)，項(xiàng)目選項(xiàng)中的編譯器選項(xiàng)窗口配置為啟用所有優(yōu)化的最高優(yōu)化級(jí)別（請(qǐng)參閱圖 4）。若要在目標(biāo)最小代碼和最快執(zhí)行之間切換，請(qǐng)將所選單選按鈕從“大小”切換到“速度”。

圖4.IAR 編譯器的選項(xiàng)：?jiǎn)⒂盟袃?yōu)化。單選按鈕在優(yōu)化速度和大小之間切換編譯器。

Rowley的CrossWorks允許用戶創(chuàng)建除了默認(rèn)的調(diào)試和發(fā)布配置之外的構(gòu)建配置。因此，本研究的基準(zhǔn)項(xiàng)目還包括最快（見圖 5）和最?。▓D 6）配置選項(xiàng)。最快配置刪除了以犧牲指令周期為代價(jià)來(lái)評(píng)估代碼大小的任何優(yōu)化。

圖5.Rowley的CrossWorks中使用的項(xiàng)目選項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)最快的配置。

最小配置的設(shè)置如圖 6 所示。啟用了以犧牲周期為代價(jià)的有利于代碼大小的選項(xiàng)，總體優(yōu)化策略是最小化大小。

圖6.Rowley的CrossWorks中用于最小配置的項(xiàng)目選項(xiàng)。

Analog 運(yùn)行的每個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試的項(xiàng)目和源文件可在 /en/product-category/ultra-low-power-microcontrollers.html 中找到。這些項(xiàng)目文件中的配置與用于基準(zhǔn)測(cè)試的配置相同。Maxim網(wǎng)站上的其他第三方工具提供了IAR和Rowley工具試用版的鏈接，因此您可以輕松重現(xiàn)這些基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果。

MAXQ基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果

表3和表4顯示了MAXQ基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果。執(zhí)行速度再次以時(shí)鐘周期的形式給出，代碼大小以字節(jié)為單位給出。

圖 7 繪制了執(zhí)行速度的數(shù)據(jù)圖表。僅顯示最快的結(jié)果。速度以執(zhí)行周期來(lái)衡量 - 條越小意味著性能越好。

圖7.最快配置設(shè)置的執(zhí)行速度結(jié)果。較小的MAXQ2000棒顯示出更好的性能。

下圖（圖 8）顯示了最小配置結(jié)果的代碼大小數(shù)據(jù)。代碼大小以字節(jié)數(shù)來(lái)衡量 - 條形越小意味著代碼密度越高。

圖8.最小配置設(shè)置的代碼大小結(jié)果。MAXQ2000的條形越小，代碼密度越好。

分析和總結(jié)

在不同的編譯器和啟用優(yōu)化的情況下，上述結(jié)果表明，即使運(yùn)行 TI 特制的基準(zhǔn)代碼，MSP430 也不是性能最佳的微控制器。

考慮到運(yùn)行整個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試套件所需的總執(zhí)行周期數(shù)，MAXQ2000的性能優(yōu)于MSP430F149和ATmega8。MAXQ2000的周期為69，914次，而MSP430F149 （IAR）和ATmega8 （Rowley）的周期分別為89，253次和87，000次。在考慮基準(zhǔn)代碼的總大小時(shí)，三個(gè)微控制器的最佳情況結(jié)果僅相差2%，因此代碼大小的任何差異都無(wú)關(guān)緊要。

由于代碼密度不是此基準(zhǔn)測(cè)試的一個(gè)因素，因此我們將更深入地研究執(zhí)行速度結(jié)果?？倛?zhí)行周期結(jié)果由FIR濾波器結(jié)果加權(quán)，其中MAXQ2000明顯優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。MAXQ2000是數(shù)學(xué)基準(zhǔn)測(cè)試中表現(xiàn)最好的，8位數(shù)學(xué)基準(zhǔn)測(cè)試中除了ATmega8之外。MAXQ2000的性能最差的是8位和16位矩陣基準(zhǔn)，它們將項(xiàng)目從一個(gè)多維數(shù)組復(fù)制到另一個(gè)多維陣列。

到目前為止，我們只考慮測(cè)試微控制器在時(shí)鐘周期方面的性能。我們沒有考慮設(shè)備的運(yùn)行速度。為了進(jìn)行絕對(duì)比較，我們使用每秒基準(zhǔn)測(cè)試迭代次數(shù)，即整個(gè) TI 基準(zhǔn)測(cè)試套件在一秒鐘內(nèi)可以運(yùn)行的次數(shù)。表7顯示，當(dāng)所有器件以相同的時(shí)鐘速度運(yùn)行時(shí)，MAXQ2000比MSP28F430快149%，比ATmega24快8%。當(dāng)器件以最大時(shí)鐘速率運(yùn)行時(shí)，MAXQ2000比ATmega56快8%，比MSP218F430快149%。

圖9.以最大時(shí)鐘速率運(yùn)行時(shí)每秒的基準(zhǔn)迭代次數(shù)。更高的MAXQ2000桿顯示出更好的性能。

我們應(yīng)該如何總結(jié)Maxim基準(zhǔn)研究的結(jié)果？至少，它與TI基準(zhǔn)研究的結(jié)果相悖，后者表明MAXQ微控制器架構(gòu)并不引人注目。這項(xiàng)更新的研究表明，MAXQ2000是一款代碼高效、快速的微控制器，對(duì)于任何受益于更高性能微控制器的新設(shè)計(jì)和重新設(shè)計(jì)，都應(yīng)考慮使用MAXQ<>。

審核編輯：郭婷