让单片机运行速度更快一些

引 言：
1 问题的提出
1.1 硬件技术背景
　　单片机的频率越来越高，RAM的访问速度也来也快，但单片机系统的效率并不一定成比例的提高。
目前，使用的主流单片机有80386EX(50MHz，外部地址/数据总线16位)、MPC860T(66MHz，外部地址/数据总线32位)以及DS80C32(25MHz，外部地址/数据总线8位)；使用的SDRAM有HY57系列、K416系列(访问速度100MHz或133MHz)；使用的SRAM 如IDT71024、IDT7256(50MHz)；使用的Flash有AT29C512、SST39VF040、AT29C010(8MHz或15MHz)等。可见，SDRAM，SRAM的速度和单片机是匹配的，甚至比单片机的速度更快一点，不需要单片机插入等待状态。而Flash的访问频率则比单片机慢2~6倍，单片机往往要通过插入多个等待状态来和它相匹配，况且Flash多为8位，而当前单片机多为16，32位，更多的降低了单片机的工作性能。
　　根据上述分析，如果提高Flash的访问速度，扩展Flash为16位或32位，那么程序执行的速度就快了，单片机的性能也就提高了。如果能够将这一想法变成事实，而且成本低廉的话，那是最好不过的事情。事实上，可以将8位的Flash扩展为16位、甚至32位，但要付出2~4倍的成本。由于Flash结构及工艺原因，在目前不可能有高达66MHz的商用化且价格低廉的Flash。所以，只能通过其它方式来提升单片机的运行速度。
1.2 软件技术背景
　　首先，看看传统单片机程序的运行原理，为了便于说明，假定硬件平台为860T，时钟为50MHz；SDRAM空间4M×32bit，地址范围从0x00000000~0x00FFFFFF，访问时间10ns；Flash空间512K×8bit，访问时间为100ns,地址范围从0x02800000~0x0287FFFF(至于其它单片机，运行原理大致相同，可以类推)。860T在上电后，PC(Program Counter)=0x2800100，程序从PC指定的地方执行，首先执行初始化代码(BootCode)，再执行主程序(AppCode)。程序从Flash中读取指令(code)，来完成数据的传输——可能是SDRAM和内部寄存器的传输，SDRAM之间的传输，SDRAM和外设的传输，中断处理等各项工作。可见在程序运行时，很大一部分时间是从Flash中读取指令，而这个过程是很费时间的。以假定的860T硬件平台为例，因为Flash访问时间为100ns，所以读一条指令的时间至少是100ns，也就是说860T读一条指令的时候要等待100ns。(指令cache通过预取指令的方式，可以使实际取指令时间短一些，但这种方法的效果并不明显，况且很多单片机还没有指令cache。)
　　860T平台的内存分配如图1所示。
　　　　　　　

2 将代码从Flash搬运到SDRAM中的原理
　　通过上述分析，初始化代码BootCode只在程序启动的时候执行，就是慢一点，也可以接受。真正影响性能的是主程序(AppCode)，因为这里的代码在不停的重复执行，如果可以缩短它的取指令时间，则单片机的空闲时间将大大减少，性能也就提高了很多。SDRAM的速度比较快，如果将代码搬运到SDRAM中，取指令时间就减少了很多；而且SDRAM空间大，不会因为代码占用了一部分空间而影响性能。但这不仅仅是简单的搬运过程，有物理存储器地址的变化牵涉在这个过程中。将软件源代码转换成可执行的二进制映像包括三个步骤：首先，每一个源文件都必须被编译或汇编到一个目标文件(object file)；第二步，所有的目标文件要连接成一个目标文件，它叫可重定位程序(relocation program)；最后，在一个称为重定址(relocation)的过程中，要把物理存储器地址指定给可重定位程序里的每个相对偏移处，生成一个可执行的二进制映像文件。如果在Flash中运行，则所有的物理存储器地址应该在Flash的地址空间中。如果要在RAM中运行，则所有的物理存储器地址应该在Flash的地址空间之中。也就是说，如果要使从Flash中搬运到SDRAM中的代码可用，则必须改变被搬运代码的物理存储器地址。
3 搬运代码的实现方法
　　下面结合假定的硬件平台，详细描述物理存储器地址重定位，代码搬运的原理及过程。我们编写两个c文件——RomTool.c、RAMapp.c。
　　RomTool.c完成860T初始化，SDRAM的刷新，中断及外设的初始化；Flash到SDRAM的代码搬运驱动模块及跳转模块。对应的二进制映像文件为RomTool.bin。
　　RAMapp.c是实际的应用程序, 对应的二进制映像文件为RAMapp .bin。RAMapp.bin被搬运后在SDRAM中运行。
3.1 物理存储器地址映射规则
　　RomTool.c的物理地址映射规则为：数据放在起始为0x3000，大小为0xf0000的SDRAM空间里；代码被烧结在起始为0x02800000，大小为0x10000的Flash空间里，不会被搬运，也在该空间里运行。
所以在RomTool.lnx中指定的定位规则也应该是这个地址范围，如下：
MEMORY
{
ram1: ORIGIN = 0x00003000, LENGTH = 0xf000
flash: ORIGIN = 0x02800000, LENGTH = 0x1000
}
SECTIONS
{
.data : {} ram1
.text : {} flash
}
　　RamApp.c的物理地址映射规则为：
　　数据放在起始为0x3000，大小为0xf0000的空间里；代码被烧结在起始为0x02810000，大小为0x70000的Flash中，它要被搬运到起始为0x00F00000，大小为0x70000的SDRAM空间里，即RamApp.Bin实际在SDRAM中运行。
　　所以，在RamApp.lnx中指定的定位规则应该在SDRAM中，如下：
MEMORY
{
ram1: ORIGIN = 0x00003000, LENGTH = 0xf000
ram: ORIGIN = 0x00F00000, LENGTH = 0x7000
}
SECTIONS
{
.data : {} ram1
.text : {} ram
}
　　最后，在860单片机系统的地址映射规则如图2所示。对照图1，可以观察到这和传统的程序地址映射有很大不同。
　　　　　　　　

3.2 搬运的过程
　　860T上电复位，RomTool.bin首先被执行，完成初始化工作后，运行代码搬运函数，将RAMapp.bin搬运到SDRAM中，随后改变PC(Program Counter)的值，无条件转移到SDRAM中运行RAMapp.bin，如图3所示。