外设读取 vs RAM 读取 + RAM 写入

Question

我正在使用 IOs 调试关键代码，我遇到了一个难题：

这两个功能之间最快的是什么？
我的 CPU 在哪个 function 花费的时间会更少？

A：CPU读取一个外设寄存器，写入外设寄存器

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

B：CPU读一个RAM变量并写外设寄存器+写一个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），但无论实现如何，答案都是一样的

Answer 1

TL;DR：第一个版本表现更好。

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性能方面的差异是微不足道的。 Cortex M3 及更高版本具有简单的分支预测和流水线，但这不会对这里的这个简单的小代码产生太大影响。 当然，第二个版本在分支预测器上可能会稍微粗糙一些，因为它们是两个独立的内存映射寄存器，但差异可以忽略不计。

如果您坚持要比较它们，那么这里有一个 gcc ARM non-eabi -O3的小基准，我在其中替换了寄存器名称并将“调试引脚”设为硬编码常量： https://godbolt.org/z/88vn1EqKj 。 该分支已被优化掉，但第一个版本的性能仍然稍好一些。

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然而，您在这里的首要任务应该是功能性和可读性。 这两个函数都可以，但如果我要剖析它们......

• XOR 版本的优点是 XOR 是一种切换位的惯用方式，因此它是可读的。 您还可以保证代码始终与实际寄存器值同步，以防万一。

• XOR 版本的缺点是，对硬件寄存器进行读-修改-写访问有时会出现问题，因为它会引入副作用，并且在某些情况下还会导致重入问题。 因此，与其将寄存器值用作 XOR 的占位符，我认为您的其他版本单独跟踪端口并仅执行写访问就可以了。

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其他注意事项：

1 <<...在 C 中总是错误的。您几乎可以肯定永远不要移动 signed int ，它是 integer 常量1的类型。 例如1 << 31调用未定义的行为。 始终使用1u 。

为诸如设置/清除/切换 GPIO 引脚之类的非常基本的事情编写包装函数已经完成了数百次……并且没有人设法编写比这更容易阅读的 function 包装函数：

• reg |= mask （设置）
• reg &= ~mask (清除)
• reg ^= mask; （切换）

这是惯用的、超快的、超可读的 C 代码，所有 C 程序员 100% 都可以轻松理解。 在查看了数百个失败的、臃肿的 GPIO HAL 之后，我可以自信地说简单 GPIO 的抽象可以而且只会导致臃肿。 我自己写了很多这样的东西，但总是出错。

（对于带有一堆路由寄存器、中断处理、奇怪的状态标志等的更复杂的 GPIO，那么一定要编写一个 HAL 和一个驱动程序。但不是为了只做简单的端口 I/O。）