在16位处理器上提高32位数学性能

Question

我正在为嵌入式设备开发一些固件，该设备使用16位PIC，工作速率为40 MIPS，并以C编程。系统将控制两个步进电机的位置，并始终保持每个电机的步进位置。 每个电机的最大位置大约是125000步，所以我不能使用16位整数来跟踪位置。 我必须使用32位无符号整数（DWORD）。 电机以每秒1000步的速度移动，我设计了固件，以便在定时器ISR中处理步骤。 计时器ISR执行以下操作：

1）将一个电机的当前位置与目标位置进行比较，如果它们是相同的，则设置isMoving标志为false并返回。 如果它们不同，则将isMoving标志设置为true。

2）如果目标位置大于当前位置，向前移动一步，然后增加当前位置。

3）如果目标位置小于当前位置，向后移动一步，然后减小当前位置。

这是代码：

void _ISR _NOPSV _T4Interrupt(void)
{
    static char StepperIndex1 = 'A';    

    if(Device1.statusStr.CurrentPosition == Device1.statusStr.TargetPosition)
    {
        Device1.statusStr.IsMoving = 0;
        // Do Nothing
    }   
    else if (Device1.statusStr.CurrentPosition > Device1.statusStr.TargetPosition)
    {
        switch (StepperIndex1)      // MOVE OUT
        {
            case 'A':
                SetMotor1PosB();
                StepperIndex1 = 'B';
                break;
            case 'B':
                SetMotor1PosC();
                StepperIndex1 = 'C';
                break;
            case 'C':
                SetMotor1PosD();
                StepperIndex1 = 'D';
                break;
            case 'D':
                default:
                SetMotor1PosA();
                StepperIndex1 = 'A';
                break;      
        }
        Device1.statusStr.CurrentPosition--;    
        Device1.statusStr.IsMoving = 1;
    }   
    else
    {
        switch (StepperIndex1)      // MOVE IN 
        {
            case 'A':
                SetMotor1PosD();
                StepperIndex1 = 'D';
                break;
            case 'B':
                SetMotor1PosA();
                StepperIndex1 = 'A';
                break;
            case 'C':
                SetMotor1PosB();
                StepperIndex1 = 'B';
                break;
            case 'D':
                default:
                SetMotor1PosC();
                StepperIndex1 = 'C';
                break;      
        }
        Device1.statusStr.CurrentPosition++;
        Device1.statusStr.IsMoving = 1;
    }   
    _T4IF = 0;          // Clear the Timer 4 Interrupt Flag.
}

当接收到移动请求时，目标位置在主程序循环中设置。 SetMotorPos线只是用于打开/关闭特定端口引脚的宏。

我的问题是：有没有办法提高这段代码的效率？ 代码函数很好，如果位置是16位整数但是32位整数处理太多。 该设备必须毫不犹豫地与PC通信，并且在写入时会有明显的性能损失。 我真的只需要18位数学，但我不知道这样做的简单方法！ 任何建设性的意见/建议都将非常受欢迎。

Answer 1

警告：所有号码都已组成......

假设上面的ISR有大约200（可能，更少）编译代码指令，那些包括在ISR之前和之后保存/恢复CPU寄存器的指令，每个指令占用5个时钟周期（可能是1到3）并且你调用其中2个每秒1000次，我们最终得到2 * 1000 * 200 * 5 =每秒2百万个时钟周期或2 MIPS。

你真的在其他地方消费38 MIPS吗？

唯一可能重要的是我无法看到它，就是在SetMotor * Pos *（）函数内部完成的事情。 他们做任何复杂的计算吗？ 他们是否与电机进行一些慢速通信，例如等待它们响应发送给它们的命令？

无论如何，使用32位整数而不是使用16位时，这种简单的代码会明显变慢，这是值得怀疑的。

如果您的代码很慢，请找出花费的时间和数量，然后对其进行分析。 在ISR中生成方波脉冲信号（当ISR开始时变为1，当ISR即将返回时变为0）并用示波器测量其持续时间。 或者做任何更容易找到的事情。 测量在程序的所有部分花费的时间，然后优化真正需要的地方，而不是您之前认为的那样。

Answer 2

我认为，16位和32位算术之间的差异不应该那么大，因为你只使用增量和比较。 但也许问题是每个32位算术运算意味着一个函数调用（如果编译器不能/不愿意进行简单操作的内联）。

一个建议是通过将Device1.statusStr.CurrentPosition和Device1.statusStr.CurrentPositionH和Device1.statusStr.CurrentPositionL中的Device1.statusStr.CurrentPosition分开来自己做算术。 然后使用一些宏来执行操作，例如：

#define INC(xH,xL) {xL++;if (xL == 0) xH++;}

Answer 3

我将摆脱StepperIndex1变量，而是使用CurrentPosition的两个低位来跟踪当前步骤索引。 或者，在完整旋转（而不是每个步骤）中跟踪当前位置，因此它可以适合16位变量。 移动时，只有在移动到阶段'A'时才增加/减少位置。 当然，这意味着您只能定位每个完整的旋转，而不是每一步。

Answer 4

抱歉，您使用的程序设计不好。

我们来检查16位和32位PIC24或PIC33 asm代码之间的区别......

16位增量

inc    PosInt16               ;one cycle

因此16位增量需要一个周期

32位增量

clr    Wd                     ;one cycle
inc    low PosInt32           ;one cycle
addc   high PosInt32, Wd      ;one cycle

32增量需要三个周期。 总差异为2个周期或50ns（纳秒）。

简单的钙化将向您展示所有。 您每秒有1000步和40Mips DSP， 因此您每步可以获得40000条指令，每秒1000步。 绰绰有余！

Answer 5

当您将其从16位更改为32位时，您是否更改了任何编译标志，以告诉它编译为32位应用程序。

您是否尝试使用32位扩展进行编译，但仅使用16位整数。 你还有这样的性能下降吗？

可能只是通过从16位更改为32位，某些操作的编译方式不同，也许在两组编译的ASM代码之间进行差异，看看实际上有什么不同，它是很多还是只有几行。

解决方案可能是使用32位整数而不是使用两个16位整数，当值A为int16.Max然后将其设置为0然后将valueB递增1，否则只是将ValueA加1，当值B> = 3时然后检查valueA> = 26696（或类似的东西取决于你是否使用unsigned或signed int16）然后你的电机检查在12500。