外围读与RAM读+ RAM写

Question

我在用IOs调试关键代码时遇到了一个难题：

这两种功能之间最快的是什么？

我的CPU将在哪个功能中花费更少的时间？

答: CPU读取外设寄存器并写入外设寄存器。

void d_toggle_pin(void)
{ 
  NRF_P1->OUT ^= 1 << Debug_Pin; 
}

B: CPU读取RAM变量并写入外围寄存器+写入RAM变量

void d_toggle_pin(void)
{ 
  static byte pin_state = 0;
  if(pin_state) 
  { 
    NRF_P1->OUTCLR = 1U << Debug_Pin;  
    pin_state = 0;
  }
  else
  { 
    NRF_P1->OUTSET = 1U << Debug_Pin;  
    pin_state = 1;
  }
}

我正在使用nrf52840 (皮质M4 CPU)，但是不管实现如何，答案可能是相同的。

Answer 1

TL;DR:第一个版本表现更好。

在性能方面的差异是微不足道的。皮层M3和更高版本有简单的分支预测和流水线，但是这不会对这里的简单代码产生很大的影响。当然，第二个版本在分支预测器上可能会稍微粗糙一点，因为它们是两个单独的内存映射寄存器，但两者之间的差别是可以忽略不计的。

如果您坚持将它们进行比较，那么下面是gcc ARM non-eabi -O3的一个小基准，在这里，我替换了寄存器名，并将“调试引脚”作为硬编码常量：https://godbolt.org/z/88vn1EqKj。对分支进行了优化，但第一个版本的性能仍略好一些。

然而，您在这里的首要任务应该是功能和可读性。这两种功能都可以，但如果我要解剖它们.

• XOR版本的优点是，XOR是一种习惯的切换方式，所以它是可读的。您还可以保证代码始终与实际的寄存器值同步，以防发生问题。

• XOR版本的缺点是，对硬件寄存器进行读-修改-写访问有时是有问题的，因为它带来了副作用，在某些情况下也可能导致重入问题。因此，与其使用寄存器值作为XOR的占位符，我认为另一个单独跟踪端口并只执行写访问的版本是可以的。

其他值得注意的事项：

1 << ...在C中总是错误的，您几乎可以肯定永远不要移动有符号的int，这是整数常量1的类型。例如，1 << 31调用未定义的行为。始终使用1u。

为这样一个非常基本的事情编写包装函数，比如设置/清除/切换GPIO引脚已经做了上百次了.没有人能够编写比以下更容易阅读的函数包装器：

• reg |= mask (set)
• reg &= ~mask (clear)
• reg ^= mask; (toggle)

这是惯用的、超快的、超可读的C代码，可以100%的C程序员理解。在查看了数百个失败的、臃肿的GPIO HALs之后，我会自信地说，抽象简单的GPIO可以而且只会导致膨胀。我自己也写了不少这样的书，这总是个错误。

(对于带有一系列路由寄存器、中断处理、奇怪的状态标志等更复杂的GPIO，那么无论如何都要编写一个HAL和一个驱动程序。但并不是为了做简单的端口I/O)