代码收藏家技术教程 2024-03-23

STM32系列单片机中断触发时间、最小中断周期等性能指标研究

查阅相关资料书籍和博客总结了一下知识点，以便学习巩固复习。

在学习《ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南（第3版)》这本书具体说明了触发中断需要多长时间。

在权威指南的第74页提到，Cortex-M3和Cortex-M4的中断等待非常小，只有12个周期。也就是说触发中断后，需要12个时钟周期，才能被系统识别到，并去处理，也就是从中断触发到中断服务程序开始执行的时间。假如单片机时钟周期为72Mhz，那么检测中断的周期就为72/12 = 6MHz ≈ 166.67 ns。

中断请求至少要持续一个时钟周期，也就是说如果使用脉冲触发中断时，脉冲的维持时间至少为单片机系统时钟周期的一个时钟周期。假如单片机时钟周期为72Mhz，那么脉冲的持续时间至少为 1/72Mhz = 0.01388889us ≈ 14ns左右。

在STM32系列芯片中，采用Cortex-M3内核的微控制器具有三级流水线（three-stage pipeline）的架构。三级流水线是指CPU执行指令的过程被划分为三个阶段，每个阶段执行不同的操作，这样可以提高指令的执行效率。

三级流水线的基本阶段：

取指阶段（Instruction Fetch, IF）： 从程序存储器中取出指令。

译码和执行阶段（Decode and Execute, DE）： 对指令进行解码，并执行相应的操作。

写回阶段（Write Back, WB）： 将执行结果写回寄存器文件或内存。

优势包括：

提高吞吐量： 因为不同阶段的指令可以同时被处理，所以在一个时钟周期内可以完成更多的指令。

提高效率： 流水线可以在一个时钟周期内同时处理多个指令的不同阶段，降低了单个指令的执行时间。

每个阶段都对应了CPU执行指令的一个部分。这样的流水线架构使得CPU能够同时执行不同指令的不同阶段，从而提高整体的指令执行速度。

ARM给出的Cortex-M3核单片机的平均执行速度是1.25MIPS/Mhz。
MIPS的全称是Million Instructions Per Second，MIPS/Mhz的意思是（单片机CPU的主频）每兆赫兹下（单片机的指令执行速度）每秒执行1M(兆)条指令。比如，ARM官方给出的STM32F103x系列单片机的平均执行速度是1.25MIPS/Mhz，如果设置单片机的主频为72MHz，那么单片机执行速度=1.25(MIPS/Mhz)*72Mhz = 90MIPS，即每秒执行90M条指令，一条指令的执行时间为 1/90us=0.011us=11ns。但官方说的1.25DMIPS/MHz，是通过测试一些算法来实现的，不是实际测试硬件的结果，只能作为大概的一个参考。
CPU执行中断时需要时间的，如入栈，出栈，以及其他处理，都需要时间，一般情况下，STM32的中断性能不超过500Khz，也就是中断间隔达到2us一次时，不管你中断函数多精简，基本上CPU就不会干其他什么事情了，只在进出中断了。
单条指令执行时间：STM32F10X单片机在主频为72MHz下，C语言程序执行一条指令需要的时间可认为10ns~100ns。

执行一个__nop();是多长时间呢？