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[分享] [痞子衡]你见过的MCU最高GPIO翻转频率是多少?

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    [LV.8]以坛为家I

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    发表于 2021-11-22 17:54:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
    你见过的MCU最高GPIO翻转频率是多少?


    大家好,我是痞子衡,是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家介绍的是i.MXRT1010上的普通GPIO与高速GPIO极限翻转频率。


    上一篇文章 《聊聊i.MXRT1xxx上的普通GPIO与高速GPIO差异及其用法》,痞子衡从原理上介绍了 i.MXRT1xxx 系列里普通 GPIO 和 HSGPIO 差异,今天我们就来实测它们的极限翻转频率,看看它们实际表现差别到底有多大。本次选择的测试芯片是 i.MXRT1010,这颗芯片从功能上来说是目前 i.MXRT1xxx 系列里的小兄弟,但别小看它,因为是后面推出的型号,恩智浦的设计团队为它在某些方面做了特殊的性能优化,包括 HSGPIO 性能。话不多说,开测:


    一、测试准备工作
    1.1 测试板卡及测试点
    选定的板卡是恩智浦官方 MIMXRT1010-EVK,板卡上连接 LED 灯的是 GPIO_11,翻看芯片参考手册,这个 PAD 既可以配到普通 GPIO(GPIO1[11]) 也可以配到 HSGPIO(GPIO2[11]),正是理想的 PAD,我们就选择这个 PAD 做测试。此外,最终 I/O 输出波形形态跟外围驱动电路也有关联,所以这里也有必要交待清楚:
    14.png
    1.2 I/O 翻转测试代码
    测试工程我们可以直接在 \SDK_2.11.0_EVK-MIMXRT1010\boards\evkmimxrt1010\driver_examples\gpio\led_output 例程上修改,为了尽力展示 GPIO 极限性能,不受其他瓶颈因素干扰,这里选择代码执行性能最高的工程 build(即代码段在 ITCM 里,数据段在 DTCM 里)。


    I/O 初始化代码很简单,在 《普通GPIO与高速GPIO差异及其用法》 文章里都介绍清楚了。这里仅有一点注意,为了统一最终 I/O 输出效果,不管是用于普通 GPIO 还是 HSGPIO,我们都直接将测试 PAD 配置到最快的 200MHz 运行频率(PAD 支持的 50/100/150/200MHz 运行频率配置不同有何影响,文章最后会交待):
    1. void io_test_init(bool useNormalGpio)
    2. {
    3.     gpio_pin_config_t led_config = {kGPIO_DigitalOutput, 0, kGPIO_NoIntmode};
    4.     CLOCK_EnableClock(kCLOCK_Iomuxc);      
    5.     IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO_11_GPIOMUX_IO11, 0U);
    6.     // Fast Slew Rate, R0/6, 200MHz
    7.     IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO_11_GPIOMUX_IO11, 0x70F9U);
    8.     if (useNormalGpio)
    9.     {
    10.         // GPIO1
    11.         IOMUXC_GPR->GPR26 &= ~(1u << 11);
    12.         GPIO_PinInit(GPIO1, 11, &led_config);
    13.     }
    14.     else
    15.     {
    16.         // GPIO2
    17.         IOMUXC_GPR->GPR26 |= (1u << 11);
    18.         GPIO_PinInit(GPIO2, 11, &led_config);
    19.     }
    20. }
    复制代码
    在 GPIO 模块里跟电平输出控制相关的寄存器有两个,一个是 DR 寄存器,另一个是 DR_TOGGLE 寄存器,都可用于实现输出电平翻转。有如下代码所示的三种常见电平翻转方法,在低翻转频率情况下,这三种方法是等效的,但是在极限翻转频率情况下,这三种方法表现不完全一致,下一节实测结果会告诉你:
    1. void io_test_run(void)
    2. {
    3.     io_test_init(false);
    4.     while (1)
    5.     {
    6.         // 电平翻转方法一:异或位操作
    7.         //GPIO2->DR ^= 0x800;

    8.         // 电平翻转方法二:直接切换位
    9.         //GPIO2->DR = 0x800;
    10.         //GPIO2->DR = 0x000;

    11.         // 电平翻转方法三:利用 TOGGLE 位
    12.         GPIO2->DR_TOGGLE = 0x800;
    13.     }
    14. }
    复制代码
    1.3 芯片系统时钟配置
    《普通GPIO与高速GPIO差异及其用法》 一文里讲了,普通 GPIO 时钟源是 IPG Bus,而 HSGPIO 时钟源是 AHB Bus,因此测试工程里 AHB/IPG 时钟配置会影响最终 I/0 翻转极限频率。下图是 i.MXRT1010 内核结构里的 HSGPIO 通路,它和 i.MXRT1060/1170 内核结构里 HSGPIO 通路其实有点小区别,这也是 i.MXRT1010 上的优化之处。
    15.png
    led_output 例程里的默认系统时钟配置,AHB/Core 时钟来自于 PLL6 - 500MHz,AHB_PODF 设 0 (即不分频),而 IPG Bus 时钟源固定来自于 AHB/Core,且只能在其基础上做 1/2/3/4 分频,我们知道 IPG Bus 最高仅支持 150MHz,因此在这种情况下 IPG_PODF 只能设 3(四分频),IPG 时钟实际是 125MHz,显然 HSGPIO 访问可以得到最优性能,但普通 GPIO 达不到最优性能。


    为了测试普通 GPIO 的最优性能,我们需要同时再测试一种新的系统时钟配置,AHB/Core 时钟源选用 PLL2_PFD3,将这个源配置为 452.6 MHz,AHB_PODF 依旧设 0,这样 IPG_PODF 设 2(三分频)可以得到 150.8MHz 的 IPG 时钟,这时普通 GPIO 访问可以得到最优性能,不过 HSGPIO 访问就要损失点性能了。
    16.png
    二、测试波形结果
    准备工作都做完了,现在就是示波器连上板卡开始实测了,根据组合,一共有时钟配置(x2)* I/O 类型(x2)* 翻转方法(x3)总计 12 个结果,这里仅贴出 HSGPIO 在 500MHz AHB/Core 时钟频率下的三种翻转方法所得到的波形结果,全部测试结果见最后一节。


    首先是 GPIO->DR 寄存器异或位操作得到的波形结果,为了减少 while(1) 的执行对翻转频率的影响(毕竟这一句指令也是要消耗 CPU 周期的),我们在 while(1) 里加十次翻转代码,统计结果时也是取 10 个波形周期,最终得到翻转频率为 22.946 MHz,效果似乎一般。汇编窗口来看,这句 C 代码异或操作被翻译成了三条指令,先 LDR 指令读出 GPIO->DR 寄存器当前值,然后 EOR 指令做异或操作,最后再 STR 指令写入 GPIO->DR 寄存器,应该是 LDR 回读指令耗时较长。
    17.png
    再来看 GPIO->DR_TOGGLE 置位操作和 GPIO->DR 的直接写入操作结果,实测下来发现这两种方法得到的翻转频率是一样的(从汇编窗口来看两种翻转方法都是仅一条 STR 指令搞定),都是 250MHz,效果虽好,但有点过头,因为波形里看到的不是标准幅值的方波(受200MHz带宽示波器限制),而是减半幅值的正弦波,也不排除 PAD 最大运行速度是 200MHz,它只能保证在低于 200MHz 的情况下有很好的电压幅值响应表现,超过这个频率,波形频率值不受影响,但电压幅值响应表现不能保证。
    18.png
    19.png
    三、完整结果统计
    现在我们来看一下全部的结果,因为三种 I/O 翻转方法里有两种效果是一样的,所以我们省略了 GPIO->DR 直接写入这种方法的结果,最终得到了 8 个结果。根据实测结果,我们得到了如下结论:


    总结1:PAD配置里的运行频率并不限制最终输出翻转频率,只是无法保证超过设置频率后的波形幅值响应表现
    总结2:置位 GPIO->DR_TOGGLE 寄存器可获得最佳 I/O 翻转性能
    总结3:普通 GPIO 最大翻转频率是 20.614MHz,约是时钟源 IPG Bus 的 1/7.5
    总结4:HSGPIO 最大翻转频率是 250MHz,约是时钟源 AHB Bus 的 1/2
    20.png
    四、一个有趣的问题
    最后再留一个开放问题,在痞子衡旧文 《以GPIO模块为例谈谈中断处理函数(IRQHandler)的标准流程》 里提到过  ARM Errata 838869 ,即在 Cortex-M4/7 上,如果 CPU 执行速度远远高于 GPIO 外设寄存器写入速度,如果代码逻辑里涉及 GPIO 寄存器回读,一般需要在 GPIO 寄存器写入操作后额外插入 DSB 指令来保证同步。


    我们现在在 500MHz AHB/Core 时钟频率下 HSGPIO 翻转代码里额外插入 DSB 指令,看看有什么影响,结果翻转频率从 250MHz 一下子降到了 35.8MHz。
    21.png
    至此,i.MXRT1010上的普通GPIO与高速GPIO极限翻转频率痞子衡便介绍完毕了,掌声在哪里~~~



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    虽然看不懂,但是感觉很利害
    该会员没有填写今日想说内容.
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