MAXQ指令集架構(gòu)與RISC競爭對手的基準(zhǔn)比較

本文將MAXQ指令集與競爭微控制器進(jìn)行比較，包括PIC16CXXX（中端器件）、AVR和MSP430。下表詳細(xì)介紹了每個(gè)指令集和體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。我們將使用選定的代碼算法和操作來判斷代碼密度和代碼性能。最后一節(jié)介紹并重點(diǎn)介紹了每個(gè)代碼示例的MIPS（每秒數(shù)百萬條指令）/mA比率。

MAXQ指令集概述

MAXQ指令集建立在傳遞-觸發(fā)概念之上。指令字僅由源操作數(shù)和目標(biāo)操作數(shù)組成。雖然這些源和目標(biāo)操作數(shù)可能表示物理寄存器，但編碼也可以表示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、堆棧存儲(chǔ)器和工作累加器的間接訪問點(diǎn)，和/或可能隱式觸發(fā)硬件操作。特定MAXQ器件的源和目的編碼在與MAXQ器件相關(guān)的MAXQ用戶指南中定義。雖然有些源和目的編碼可能是特定于器件的，例如指定用于外設(shè)硬件功能的編碼，但某些固定編碼用于構(gòu)建MAXQ基本指令集。圖1給出了MAXQ指令字和指令集助記符。

圖1.MAXQ指令字所示的源到目的地傳輸產(chǎn)生一個(gè)小但非常強(qiáng)大的指令集。

MAXQ與其他指令集架構(gòu)的比較

可以嘗試將MAXQ指令助記符與其他架構(gòu)的指令助記符進(jìn)行比較，但這種分析既困難又不合理，因?yàn)槊總€(gè)指令集都是圍繞特定的器件資源和尋址模式構(gòu)建的。因此，指令集和器件架構(gòu)（指令周期、存儲(chǔ)器模型、寄存器集、尋址模式等）是不可分割的，必須一起考慮。表1總結(jié)了所比較的指令集架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

代碼示例

比較指令集架構(gòu)的最佳方法是定義一組任務(wù)并編寫代碼來執(zhí)行這些任務(wù)。以下各節(jié)描述了要執(zhí)行的某些任務(wù)，并總結(jié)了每個(gè)指令集體系結(jié)構(gòu)的代碼密度和性能結(jié)果。第一個(gè)例程的示例代碼包含在文檔中，而隨后的例程將僅用圖形和文本進(jìn)行匯總。Maxim可根據(jù)要求提供與每組統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對應(yīng)的代碼例程。

內(nèi)存副本 （MemCpy64)

存儲(chǔ)器復(fù)制示例演示了微控制器間接操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器塊的能力。任務(wù)是將 64 個(gè)字節(jié)從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器源位置復(fù)制到不重疊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器目標(biāo)。以下頁面提供了每個(gè)微控制器的代碼例程，以及匯總復(fù)制操作的周期計(jì)數(shù)和字節(jié)計(jì)數(shù)的圖表。這些例程假定在復(fù)制操作之前已經(jīng)定義了指針和字節(jié)計(jì)數(shù)，并且要復(fù)制的字節(jié)在存儲(chǔ)器中是字對齊的，因此可以使用MSP430和MAXQ20的字訪問模式。

;======================================AVR======================================
; ramsize=r16       ;size of block to be copied
; Z-pointer=r30:r31     ;src pointer
; Y-pointer=r28:r29     ;dst pointer
; USES:
; ramtemp=r1      ;temporary storage register
loop:           ; cycles
  ld ramtemp,Z+       ; 2 @src => temp
  st Y+,ramtemp       ; 2 temp => @dst
  dec ramsize       ; 1
  brne loop       ; 2/1
  ret         ; 4/5
          ;---------
          ;(7*bytecount) + return - 1(last brne isn't taken).
; WORD COUNT = 5 ; CYCLE COUNT = 451>

;=====================================MAXQ10====================================
; DP[0] ; src pointer (default WBS0=0)
; DP[1] ; (dst-1) pointer (default WBS1=0)
; LC[0] ; byte count (Loop Counter)
loop:         ;words & cycles
  move DP[0], DP[0]     ; 1 implicit DP[0] pointer selection
  move @++DP[1],@DP[0]++  ; 1
  djnz LC[0], loop    ; 1
  ret       ; 1
        ;----------
        ; 4 / (3*bytecount) +1
; WORD COUNT = 4 ; CYCLE COUNT = 193

;====================================MAXQ20=====================================
; Assuming bytes are word aligned (like MSP430 code) for comparison
; DP[0] ; src pointer (default WBS0=1)
; DP[1] ; (dst-1) pointer (default WBS1=1)
; LC[0] ; byte count / 2 (Loop Counter)
loop:       ;words/cycles
  move DP[0], DP[0]     ; 1 implicit DP[0] pointer selection
  move @++DP[1],@DP[0]++  ; 1
  djnz LC[0], loop    ; 1
  ret       ; 1
        ;----------
        ; 4 / (3*bytecount/2) +1
; WORD COUNT = 4 ; CYCLE COUNT = 97

;====================================MSP430=====================================
; MSP430 has a 16-bit data bus
; assuming bytes are word aligned, only requires (blocksize/2 transfers).
; R4  ;src pointer
; R5  ;dst pointer
; R6  ;size of block to copy
loop:         ;words/cycles
  mov @R4+, 0(R5)     ;2 / 5 @src++ => dst
  add #2, R5    ;1 / 1 const generator makes this 1/1
  decd.b R6     ;1 / 1 really sub #2, R6
  jz loop       ;1 / 2
  ret       ;1 / 3
        ;----------
        ;6 / (9*(bytecount/2)) + return
; WORD COUNT = 6 ; CYCLE COUNT = 291

;===================================PIC16CXXX===================================
; a   ; src pointer base
; b   ; dst pointer base
; i   ; byte count held in reg file
; USES:
; temp  ; temp data storage
loop:         ; cycles
  decf i, W     ; 1 i-- => W
  addlw a       ; 1 (a+i--) => W starting at end
  movwf FSR     ; 1 W => FSR
  movfw INDF    ; 1 W <= @FSR get data
  movwf temp    ; 1 W => temp
  movlw (b-a)     ; 1 diff in dest-src
  addwf FSR, F    ; 1 (b+i--) => W
  movfw temp    ; 1 temp => W
  movwf INDF    ; 1 W => @FSR store data
  decfsz i, F     ; 2/1 i--
  goto loop     ; 2
  return      ; 2
        ;----------
        ;11 / (12*bytecount) +1 (ret instead of goto, +1 on decfsz)
; WORD COUNT = 12 ; CYCLE COUNT = 769 (*4clks/inst cycle = 3076)

MAXQ器件提供最佳的代碼密度，在執(zhí)行速度方面是明顯的贏家。MAXQ10執(zhí)行復(fù)制操作的速度比MAXQ20慢，因?yàn)樗鼘?shù)據(jù)指針使用默認(rèn)的字節(jié)訪問模式。對于MAXQ10應(yīng)用，如果認(rèn)為執(zhí)行速度比代碼密度更重要，并且要復(fù)制的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是字對齊的（MSP430和MAXQ20示例已經(jīng)假設(shè)），則可以對源和目標(biāo)數(shù)據(jù)指針使用字訪問模式。啟用字模式允許將MAXQ10復(fù)制環(huán)路切成兩半，但需要額外的指令來啟用/禁用字訪問模式。MAXQ器件相對于競爭產(chǎn)品所表現(xiàn)出的壓倒性性能優(yōu)勢可歸因于以下架構(gòu)優(yōu)勢：

存儲(chǔ)器復(fù)制示例中所示的MAXQ優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為類似的增益，適用于需要在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中進(jìn)行頻繁輸入/輸出緩沖的應(yīng)用。在性能方面，最接近的競爭對手是 MSP430。例如，可能需要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器緩沖，假設(shè)我們有一個(gè)MSP430器件，該器件配備了具有16位輸出寄存器的ADC外設(shè)。將數(shù)據(jù)從外設(shè)輸出寄存器傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)器并遞增指針以準(zhǔn)備下一個(gè)ADC輸出樣本，可以使用如下代碼進(jìn)行處理：

                                                ; words/cycles
      mov.w       &ADAT,0(R14)                  ; 3 / 6              Store output word
                    incd.w R14                  ; 1 / 1              Increment pointer
                                                ; 4 / 7

在MAXQ20上，相同的傳遞操作如下所示：

    move        @++DP[0], ADCOUT              ; 1 / 1

氣泡排序（氣泡排序）)

冒泡排序例程不僅展示了有效訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的能力，而且還在數(shù)據(jù)字節(jié)之間執(zhí)行算術(shù)和/或比較運(yùn)算，并有條件地對字節(jié)進(jìn)行重新排序。代碼例程對 32 個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器字節(jié)進(jìn)行排序，以便它們按升序或降序排列。周期計(jì)數(shù)假定字節(jié)重新排序大約有一半時(shí)間是相鄰字節(jié)比較的結(jié)果。下圖總結(jié)了每個(gè)微控制器上排序操作的周期計(jì)數(shù)和字節(jié)計(jì)數(shù)。

MAXQ器件再次產(chǎn)生最佳的碼密度，是以下領(lǐng)域的明顯贏家。 執(zhí)行速度。MAXQ的優(yōu)勢可以歸因于存儲(chǔ)器復(fù)制示例中討論的相同架構(gòu)優(yōu)勢。

十六進(jìn)制到 ASCII 轉(zhuǎn)換 （十六進(jìn)制2Asc)

此轉(zhuǎn)換例程測試微控制器的算術(shù)和邏輯運(yùn)算范圍。它還在轉(zhuǎn)換和擴(kuò)展單個(gè)字節(jié)中包含的數(shù)據(jù)時(shí)測試它們對文本字節(jié)數(shù)據(jù)的支持。周期計(jì)數(shù)表示一個(gè)平均值，假設(shè)每個(gè)半字節(jié)可以是 16 個(gè)十六進(jìn)制值之一 - 0 到 9，Ato F。下圖總結(jié)了每個(gè)微控制器上轉(zhuǎn)換操作的周期計(jì)數(shù)和字節(jié)計(jì)數(shù)。

對于這個(gè)測試?yán)蹋珹VR需要的字更少，因?yàn)樗墓ぷ骷拇嫫骺梢灾苯釉L問，而MAXQ最有效的方法需要手動(dòng)更新累加器指針。MSP 代碼密度受到影響，因?yàn)樗鄙俨僮靼胱止?jié)的操作，并且常量生成器不支持的文本 （#nnnnh） 必須用單獨(dú)的單詞進(jìn)行編碼。MAXQ器件和Atmel AVR在性能方面取得了類似的結(jié)果，而其他器件則落后。MSP430 的性能受到執(zhí)行操作的額外碼字的影響。

算術(shù)右移 2 個(gè)位置（向右)

此例程演示了微控制器支持 16 位字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器訪問和 ALU 操作的能力。所需的操作是以算術(shù)方式移位（即保留最高有效位）駐留在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的 16 位字。假設(shè)字駐留在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的前 256 個(gè)字節(jié)中，并在存儲(chǔ)器中對齊，以便由具有該功能的微控制器進(jìn)行字尋址。下圖總結(jié)了每個(gè)微控制器上移位操作的周期計(jì)數(shù)和字節(jié)計(jì)數(shù)。

支持16位ALU操作的微控制器MAXQ20和MSP430提供 代碼密度明顯提高。除PIC外，所有8位計(jì)算機(jī)都需要至少兩倍的代碼字?jǐn)?shù)才能完成相同的算術(shù)移位。MAXQ20提供最佳性能，MAXQ10雖然僅支持8位ALU操作，但性能接近16位MSP430。

MAXQ20和MSP430表現(xiàn)出更高的ODE密度，因?yàn)樗鼈兡軌虮?6位機(jī)器更有效地處理8位數(shù)據(jù)。但是，每種方法都以略有不同的方式這樣做。MAXQ20將要移位的16位字傳輸?shù)焦ぷ骷拇嫫鳎ɡ奂悠鳎?，在那里可以使用多位算術(shù)移位。MSP430 使用寄存器間接尋址模式 （RRA @R5） 執(zhí)行單位算術(shù)移位運(yùn)算，并且不會(huì)從其存儲(chǔ)器位置顯式傳輸字。在提供更高性能的同時(shí)，當(dāng)20位字的算術(shù)移位可以使用多位算術(shù)移位操作碼（SRA430、SRA16、SLA2、SLA4）時(shí)，MAXQ2可以提供與MSP4相同或更好的碼密度。

位爆炸端口引腳（位爆炸)

此示例測試指令集體系結(jié)構(gòu)通過直接位操作或通過移位/旋轉(zhuǎn)分解字節(jié)并將各個(gè)位發(fā)送到端口引腳（“位敲擊”）的能力。端口引腳輸出分別表示時(shí)鐘和數(shù)據(jù)，要求數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿必須有效。由于代碼直接操作端口引腳，因此此測試還演示了訪問I/O端口寄存器的難易程度。下圖總結(jié)了每個(gè)微控制器上端口位爆炸操作的周期計(jì)數(shù)和字節(jié)計(jì)數(shù)。

MAXQ器件顯然是性能最好的器件。由于底層 4 周期內(nèi)核架構(gòu)，PIC 性能在這里受到限制（與其他示例一樣）。MSP430的性能較差，可歸因于其馮諾依曼存儲(chǔ)器架構(gòu)和需要使用絕對尋址來訪問端口輸出寄存器。

在碼密度方面，MAXQ和PIC具有相同的字?jǐn)?shù)。然而，PIC在RISC機(jī)器中優(yōu)于MAXQ，因?yàn)樗?4位程序字與MAXQ的16位程序字相比。MSP430代碼密度受到影響，因?yàn)樗仨毷褂弥辽賰蓚€(gè)字來訪問具有絕對尋址模式（即和寄存器）的外設(shè)寄存器，或者當(dāng)使用常量生成器無法減少的文字（例如，#3h）時(shí)。

MSP430訪問其外設(shè)寄存器的方法值得進(jìn)一步評論。微控制器的主要職責(zé)是以某種方式與外界接口。因此，它必須控制、監(jiān)視和處理 I/O 引腳上發(fā)生的活動(dòng)。如果微控制器嵌入很少的外設(shè)硬件模塊，則此活動(dòng)的負(fù)擔(dān)留給軟件。要使軟件執(zhí)行任何有意義的操作，它必須讀取和寫入端口引腳。在 MSP430 上，這些端口引腳寄存器駐留在需要使用絕對訪問模式的外設(shè)寄存器空間中?，F(xiàn)在考慮一個(gè)具有豐富“智能”外設(shè)的微控制器。毫無疑問，在使用片上專用硬件執(zhí)行必要功能的過程中，必須配置、控制和訪問更多的外設(shè)寄存器。在 MSP430 上，這些寄存器位于需要使用絕對訪問模式的外設(shè)寄存器空間中。因此，與 MSP430 絕對尋址模式相關(guān)的代碼密度和性能損失是無法逃避的。

“MIPS/mA”指標(biāo)

功耗通常是選擇處理器或內(nèi)核架構(gòu)的重要因素。給定系統(tǒng)的總體功耗取決于許多因素，例如電源電壓和工作頻率，以及盡可能使用低功耗模式的能力。降低電源電壓和/或工作頻率，以及頻繁使用低功耗模式，可以大大降低系統(tǒng)總功耗。雖然給定微控制器的最小電源電壓在很大程度上取決于器件制造工藝技術(shù)，但降低工作頻率和使用低功耗模式的能力在很大程度上取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以確定的應(yīng)用要求。MIPS/mA指標(biāo)提供了一種簡單的方法來評估微控制器的代碼效率，同時(shí)考慮有功電流消耗。應(yīng)選擇通用電源電壓，以便在不同器件之間創(chuàng)建有意義的MIPS/mA比較。對于即將到來的比較，假設(shè)為3V電源電壓。為了考慮所比較的指令集架構(gòu)（即AVR、MSP430、PIC16、MAXQ）的差異和效率，還需要為生成的每個(gè)代碼示例生成單獨(dú)的MIPS/mA比率。

圖2.這個(gè)IccActive與MHz的例子說明了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流增加的影響。

為了確定MIPS/mA比率的“mA”部分，我們檢查了器件的數(shù)據(jù)手冊。大多數(shù)微控制器供應(yīng)商都規(guī)定了與器件最大工作頻率相關(guān)的典型和最大有功電流。假設(shè)靜態(tài)（DC）電流非常小，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)允許得出典型和最大mA/MHz近似值，用于在任何時(shí)鐘頻率下外推有功電流。如果供應(yīng)商提供有功電流與溫度/頻率特性數(shù)據(jù)，則可以相對于特定系統(tǒng)環(huán)境條件更好地量化和定義mA/MHz比。否則，我們必須簡單地依靠離散數(shù)據(jù)點(diǎn)和我們對非常小的靜態(tài)電流的假設(shè)。靜態(tài)（DC）電流的增加會(huì)改變mA與MHz特性曲線的起點(diǎn)，從而限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在降低時(shí)鐘頻率（降低動(dòng)態(tài)電流）時(shí)看到的總增益。圖2給出了一個(gè)IccActive vs. MHz圖示例。表2比較了各種內(nèi)核的mA/MHz數(shù)字，并引用了信息來源。當(dāng)以后的計(jì)算中需要此術(shù)語時(shí)，將使用每個(gè)架構(gòu)的突出顯示的 mA/MHz 數(shù)。

圖3.MAXQ架構(gòu)通過每條指令在一個(gè)時(shí)鐘上執(zhí)行幾乎所有指令來實(shí)現(xiàn)高M(jìn)IPS性能比。

MIPS/mA 指標(biāo)的“MIPS”部分用于量化性能差異。我們將首先給出圖3中MIPS的簡單公式。

在評估給定架構(gòu)的MIPS時(shí)，每條指令的時(shí)鐘數(shù)（CPI）非常重要。例如，Microchip PIC等架構(gòu)要求每個(gè)指令周期有多個(gè)時(shí)鐘。此外，架構(gòu)通常需要多個(gè)指令周期來執(zhí)行某些指令，或者在執(zhí)行跳轉(zhuǎn)/分支時(shí)需要周期來刷新指令管道。在比較架構(gòu)時(shí)，MIPS的平均性能通常遠(yuǎn)低于峰值性能（MIPS），并且因指令組合而異。

為了生成一個(gè)更有用的指標(biāo)并生成一個(gè)值來幫助我們達(dá)到 MIPS/mA 目標(biāo)指標(biāo)，我們將 MIPS 除以 MHz。MIPS/MHz比率可以解釋為在單個(gè)時(shí)鐘中執(zhí)行的平均指令數(shù)（對于給定的代碼示例）。使用MIPS/MHz數(shù)和之前計(jì)算的mA/MHz數(shù)，可以生成MIPS/mA比率。下表分別顯示了每個(gè)早期代碼例程比較的MIPS/MHz和MIPS/mA數(shù)字。

為了進(jìn)一步分析，我們必須通過將MIPS/mA比率除以給定代碼樣本實(shí)際執(zhí)行的指令數(shù)來考慮核心架構(gòu)和指令集效率之間的差異。這種額外計(jì)算的基本原理是，執(zhí)行三個(gè)單周期指令（最高M(jìn)IPS/MHz比率= 1）實(shí)際上并不比一個(gè)3周期指令（MIPS/MHz比率= 0.33）好。盡管如此，由此產(chǎn)生的MIPS/mA比率卻大不相同。事實(shí)上，如果完成相同的任務(wù)，大多數(shù)人更喜歡一條指令而不是三條指令。通過將MIPS/mA比率除以執(zhí)行的指令數(shù)，我們正在根據(jù)給定微控制器用于執(zhí)行特定任務(wù)的指令組合調(diào)整MIPS/mA比率。結(jié)果值已規(guī)范化為最高性能值，如下表所示。

結(jié)論

歸一化的“MIPS/mA”指標(biāo)為我們提供了 比較具有不同架構(gòu)、指令集和電流消耗特性的微控制器。較高的歸一化“MIPS/mA”比通?？梢援a(chǎn)生以下一個(gè)或兩個(gè)好處：（1）可以降低系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，以及（2）可以增加在低功耗或睡眠模式下花費(fèi)的時(shí)間。這兩種可能性都有助于降低系統(tǒng)的整體功耗。或者，可以在保持給定電流/功率預(yù)算的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的整體系統(tǒng)性能。無論優(yōu)點(diǎn)如何，MAXQ架構(gòu)產(chǎn)生的高M(jìn)IPS/mA比都是效率的可靠指標(biāo)。

審核編輯：郭婷