關(guān)于CPU運(yùn)行速度計(jì)算詳解

【說在前面的話】

相對人的感官來說CPU跑的太快了——即便是人們常常用來描述時(shí)間短暫的“一眨眼功夫”對CPU來說也是及其“漫長”的好幾百毫秒了——仔細(xì)想想有幾個(gè)人能在一秒鐘內(nèi)連續(xù)眨十次眼睛呢？正因?yàn)槿绱?，即便是超級循環(huán)里面順次執(zhí)行的多個(gè)任務(wù)，在人類看來也往往是“一瞬間就執(zhí)行完了”。那么CPU究竟跑的有多快呢？是很快、非常快還是快得不得了？如果我們繼續(xù)站在人類的視角考慮這個(gè)問題，其抽象程度無異于思考“無窮大究竟是多大”。

讓我們想象著周圍的時(shí)間相對你突然都慢了下來，從微處理器的視角重新審視這個(gè)世界。

【第一個(gè)參考點(diǎn)】

“1MHz就是 1us”

“1MHz就是1us”是一個(gè)基準(zhǔn)概念，通過修改思考方式，我們就可以利用它快速而有效的解決很多實(shí)際問題。作為練習(xí)，我們來嘗試依次快速的回答以下幾個(gè)問題：

假設(shè)每個(gè)時(shí)鐘脈沖都對應(yīng)一個(gè)指令周期：

已知系統(tǒng)頻率是1MHz，請問1us內(nèi)有幾個(gè)指令周期？

已知系統(tǒng)頻率是12MHz，請問1us內(nèi)有幾個(gè)指令周期？

已知系統(tǒng)頻率是11.3728MHz，請問1us內(nèi)有幾個(gè)指令周期？

已知系統(tǒng)頻率是500KHz，請問1us內(nèi)有幾個(gè)指令周期？

很顯然，如果你試圖首先計(jì)算出系統(tǒng)周期：

再用1us去相除：

這個(gè)過程已經(jīng)慢了。

讓我們來換一種思維模式，既然1MHz對應(yīng)1us（也就是1us對應(yīng)一個(gè)指令周期），那么12MHz就是1MHz的12倍，1us時(shí)間內(nèi)就有12個(gè)指令周期；同理可得，當(dāng)系統(tǒng)頻率分別是11.3728MHz和500KHz（0.5MHz）的時(shí)候，1us時(shí)間內(nèi)對應(yīng)的指令周期數(shù)分別是11.3728個(gè)和0.5個(gè)。

借助這個(gè)等效，我們就可以對CPU的處理能力建立更多量化的感官，比如1ms的時(shí)間內(nèi)，CPU能做多少事情呢？由于1ms等于1000us，對1MHz的系統(tǒng)來說，1ms可以完成1000個(gè)指令周期，12MHz的系統(tǒng)可以完成12000個(gè)指令周期。然而1000和12000這樣的數(shù)字對于只有十個(gè)手指的人類大腦來說還是太抽象了，因此我們更進(jìn)一步，把指令周期換算成等效的代碼尺寸：

由于主流的微控制器其指令集中大多是單周期指令，我們不妨假設(shè)所有指令都是單指令周期的，這樣1個(gè)指令周期就對應(yīng)一條指令；

假設(shè)每條指令都是2個(gè)字節(jié)大?。?6位指令）；

這樣，1ms時(shí)間內(nèi)1MHz的系統(tǒng)可以運(yùn)行大約2KB的代碼，一個(gè)12MHz的系統(tǒng)可以運(yùn)行24KB的代碼，依次類推。

那么2KB是什么概念呢？如果你平時(shí)有留意編譯后的代碼尺寸，2KB大約是一個(gè)基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)庫的尺寸，可以包含一個(gè)USART的驅(qū)動(dòng)或者實(shí)現(xiàn)電源管理；而24KB幾乎是一個(gè)小型工程應(yīng)用的尺寸了。

借助這些非常具體的數(shù)字，我們很容易拿它們和中斷處理程序進(jìn)行比較，建立直觀的認(rèn)識——比如：

中斷處理程序“執(zhí)行的是不是足夠快”？

“丟中斷的風(fēng)險(xiǎn)究竟有多大”等等？

使用中斷接收外設(shè)數(shù)據(jù)的時(shí)候會不會發(fā)生丟失？

可以肯定的是，這種忽略循環(huán)和條件分支的評估方法幾乎是一個(gè)代碼的最差情況，也就是說，在1MHz的系統(tǒng)中對于一個(gè)1KHz的毫秒中斷，中斷處理程序越接近2KB，就說明系統(tǒng)越可能“丟中斷”。

在這種情況下，除非你通過編譯器提供的等效匯編代碼仔細(xì)的計(jì)算過實(shí)際的周期數(shù)，或者是通過perf_counter這樣的工具實(shí)際測量過代碼的周期消耗——確信時(shí)間上處理周期不會大于1ms且這期間不會存在其它中斷處理程序，否則你的中斷處理程序還是比2KB越小越好。

【一個(gè)真實(shí)的案例】

在一個(gè)72MHz的Cortex-M3/M4系統(tǒng)下，使用中斷模式來接收串口數(shù)據(jù)，波特率為115200的情況下：

最大允許屏蔽中斷多長時(shí)間？

中斷處理程序允許的理論最大安全尺寸是多少？

首先，我們要搞清楚系統(tǒng)的指令大小和指令集的周期數(shù)情況。以ARM Cortex M3/M4為例，其指令大部分為單周期指令，支持16位指令和32位指令。為了評估中斷處理程序的尺寸上線，我們可以分別以16位指令和32位指令為基礎(chǔ)計(jì)算出兩個(gè)結(jié)果作為參考范圍；

其次，系統(tǒng)頻率為72MHz，假設(shè)USART沒有硬件FIFO，則115200的波特率在典型的“1起始位+1終止位+無校驗(yàn)位+8數(shù)據(jù)位”的配置下（每個(gè)數(shù)據(jù)幀對應(yīng)10個(gè)bit），實(shí)際上對應(yīng)最大11.52KB/s的數(shù)據(jù)率——或者說，USART完成中斷每秒鐘發(fā)生 11.52K次。至此，我們可以回答第一個(gè)問題，即在這一系統(tǒng)中最大允許屏蔽中斷多長時(shí)間——1/11.52KHz ≈87us。

也就是說，假設(shè)中斷屏蔽的時(shí)間為87us則中斷處理程序的理論最大尺寸范圍是（72 * 87 * 2）字節(jié)到（72 * 87 * 4）字節(jié)，即12.528KB到25.056KB之間。取最小值12KB。

結(jié)論，中斷處理程序及其調(diào)用的子函數(shù)，其尺寸總和至少要小于12KB才能確保115200波特率的接收完成中斷得到及時(shí)的響應(yīng)。由于未考慮循環(huán)、分支以及其它任務(wù)的存在，以上結(jié)果僅用于粗略的快速評估，實(shí)際代碼通常應(yīng)該遠(yuǎn)小于這一上線值。當(dāng)實(shí)際尺寸接近或者超過13KB時(shí)基本可以判定該系統(tǒng)存在無法及時(shí)穩(wěn)定的響應(yīng)中斷的可能——需要對代碼進(jìn)行進(jìn)一步的具體分析。

【結(jié)語】

“1MHz就是1us”的等效為我們提供了一個(gè)基準(zhǔn)，建立了關(guān)于“CPU跑多快”最直觀的感受，同時(shí)也為評估代碼尺寸、系統(tǒng)可靠性提供了有力的參考。掌握了這個(gè)基準(zhǔn)，作為一個(gè)合格的程序員，不應(yīng)該僅憑人類的感覺毫無依據(jù)評價(jià)CPU的處理能力了，“72MHz足夠快了吧？”“我已經(jīng)用了芯片的最高頻率”這種話再也不能輕易說了，我們應(yīng)該定量而不是定性的去看待這類問題。
編輯：lyn