STM32從Flash中運行程序的時序分析

大家都知道STM32的CPU時鐘頻率可以達到72MHz，以后還會更快，但是由于半導(dǎo)體制造工藝的限制，存放程序的Flash存儲器不可能達到這么高的工作頻率，這樣當(dāng)CPU直接訪問Flash存儲器時必須插入等待周期以得到正確的結(jié)果。

問題是在Flash的速度比CPU慢的情況下，是不是可以簡單地說STM32在執(zhí)行Flash中的程序時每條指令都需要插入等待周期呢？等待周期的插入對程序的執(zhí)行到底有多大的影響？請看下面的分析：

首先，STM32的內(nèi)部Flash是組織成64位寬度，即每次可以讀出64位；在Flash與CPU的取指隊列之間有兩個緩沖器，用于暫存Flash中取出的指令，見下圖。

其次，STM32的指令有16位的也有32位的，指令是從圖中綠色的緩沖器取出；當(dāng)綠色緩沖器變空時，黃色緩沖器中的內(nèi)容會被復(fù)制到綠色緩沖器中；這樣取指與讀取Flash互不干擾。

正因為STM32的指令有不同長度，所以程序執(zhí)行的等待周期與程序的內(nèi)容有關(guān)。

圖一是假定所有指令都是16位的指令：

1）時刻t0時黃色緩沖器和綠色緩沖器都為空，此時CPU等待3個周期后，到時刻t1時才能讀到指令；

2）時刻t1時綠色緩沖器被填滿，黃色緩沖器仍為空，F(xiàn)lash控制器繼續(xù)讀取后續(xù)指令；

3）時刻t2時綠色緩沖器還有兩個字節(jié)，黃色緩沖器被填滿；此時因為兩個緩沖器都有數(shù)據(jù)，讀取Flash的操作暫停(圖一中的綠色虛線框所示)；

4）當(dāng)黃色緩沖器變空時，綠色緩沖器被復(fù)制到黃色緩沖器，同時恢復(fù)讀取Flash的操作；

5）時刻t3時緩沖器的狀態(tài)又變?yōu)樯鲜龅?）步的狀態(tài)。

從以上分析可以看出，CPU的指令執(zhí)行是沒有等待周期的。但當(dāng)執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令時，F(xiàn)lash緩沖器中的內(nèi)容作廢，系統(tǒng)回到了上述第1)步的狀態(tài)。

圖二是假定每三條指令中有兩條16位的指令和一條32位的指令。這種情況下，如圖所示，CPU的指令執(zhí)行也是沒有等待周期的。

圖三是假定所有指令都是32位的指令，從圖中可看出，CPU每執(zhí)行兩條指令，要插入一個等待周期。

上面的分析只是針對每個CPU周期都有取指操作的情況，而實際的操作中情況并沒有這么簡單，因為Cortex-M3的指令不都是單周期指令。

實際的程序執(zhí)行情況是受很多因素影響的，單純靜態(tài)的分析也是不現(xiàn)實的，因此才會出現(xiàn)這么多評測的標準和數(shù)據(jù)。我們應(yīng)該以平均的性能指標作為參考的依據(jù)，而不是簡單的有沒有或有多少等待周期作為判斷的依據(jù)。

STM32/STM8

意法半導(dǎo)體/ST/STM