最近一个工程师问我 MCU 的最高翻转速度能够到多少？这个话题我多年前就听过，不过一直没有实际去测试过，这次正好借此问题实际测试了一番，发现里面还藏了不少的知识。
本次测试选取了目前市面上性价比极高的 3 款 32 位 ARM Cortex-M0/M0+内核 MCU，分别是灵动微 MM32G0001、普冉 PY32F002B、芯源 CW32L010，价格都在 5 毛钱以内！
首先测试的是灵动微的 MM32G0001 MCU，该 MCU 基于 ARM Cortex-M0 内核，最高工作频率可达 48MHz。系统架构图如下：
可以看到 GPIO 模块位于 AHB 总线上，AHB 总线的最高速率为 48Mhz。GPIO 翻转就是高低电平变换，执行一条电平控制的 STR 汇编指令是 2 个指令周期，所以理论上该 MCU GPIO 最大的翻转速率是 48Mhz/(2+2)=12Mhz。下面我们来看看实测情况，
测试代码基于灵动微官网提供的：LibSamples_MM32G0001_V0.10.2\Samples\LibSamples\GPIO\GPIO_LED_Toggle 例程。
该示例时钟配置的就是 48Mhz。我们进行以下几个实验：
实验 1：原始代码做如下修改，注释掉不相关代码，while(1)里只保留一个 GPIO 翻转函数。
测试结果只有 289Khz。
实验 2：把优化等级从 0 开到最高：
测试结果是 333Khz。
以上 2 个实验测出来的速率远低于理论值，主要是和函数调用有关系，占用了很多额外的时间。
实验 3：这次直接改为操作寄存器的方式实现，为保证测试一致性，优化等级还是调整回 0。
测出来的结果是 4Mhz，速率明显提升。
可是为什么低电平时间要比高电平时间多了那么多呢。经过分析可知是 while(1)循环占用了额外的时间。
实验 4：在实验 3 的基础上改进一下，while(1)多增加几条重复的语句。
测试翻转期间的速率为 12Mhz，这样就达到了理论上的最大速率。
第二个测试的是普冉的 PY32F002B MCU，该 MCU 基于 ARM Cortex-M0+内核，最高主频 24MHz。系统架构图如下：
可以看到这个 MCU 的 GPIO 是直接挂到内核上，它具备单周期快速翻转的能力。单周期 GPIO 是 ARM Cortex-M0+内核所特有支持的一个功能，M0 内核 MCU 没有此功能。所以该款 MCU GPIO 翻转最大速率理论值为：24Mhz/(1+1)=12Mhz。下面我们来看下实际测试结果。
PY32F002B_Firmware_V1.1.0\Projects\PY32F002B-STK\Example_LL\GPIO\GPIO_FastIO 直接提供了测试例程，什么都不用改，下载进去就可以测试，
可以看到 IO 翻转速率确实达到了 12Mhz。
C:Userswangwx1Desktop 普冉 12Mhz.jpg
虽然 PY32F002B 最高主频相比 MM32G0001 只有其一半，但是因为其直接挂在内核上，具备单周期翻转能力，所以两者的最高 IO 翻转速率都是 12Mhz。
最后再来看芯源的 CW32L010 MCU，这颗 MCU 也是 Cortex-M0+内核，但是其 GPIO 并没有像 PY32F002B 直接挂在内核上，而是挂在 AHB 总线上。该 MCU 最高主频也是 48Mhz。
有了上述测试基础，你是不是能够猜到该 MCU 的最大翻转速率了，你可能会认为和灵动微 G0001 一样也是 12Mhz。事实果真如此吗？
我们基于 CW32L010_StandardPeripheralLib_V1.0.2ExamplesGPIOgpio_blink 做了简单修改，该例子默认跑的是 4Mhz 主频，将其修改为 48Mhz
实际测试结果只有 8Mhz，这是什么原因呢？我们可以看到低电平时间是 2 个指令周期，但是高电平时间却是 4 个指令周期。
这是因为 Flash 读等待所导致的，当主频大于 24Mhz 之后，需要插入 1 个等待周期，所以无法保证每个翻转都能达到 2 个指令周期。
我们可以再做一个测试，将其主频降低为 24Mhz，可以看到此时 GPIO 翻转速率可以达到 6Mhz，这是因为没有 flash 读等待周期了。
最后再做一个测试，把上述翻转 GPIO 的代码做一点修改，上述用了 BSRR、BRR 寄存器来实现置位和清零，如果使用 ODR 寄存器会有什么效果呢？
可以看到，翻转速率直接只有 4Mhz。
通过汇编代码可以看到，多了一条 MOVS 指令，该指令需要 1 个指令周期，所有最高翻转速率为 24Mhz/(3+3)=4Mhz
除了置位/清零寄存器、输出数据寄存器实现 GPIO 翻转外，有的 MCU 还有翻转寄存器，比如 CW32L010 有，MM32G0001 和 PY32F002B 没有，直接用这一个寄存器就可以实现 IO 翻转，实测这个效果和 BSRR/BRR 一样。
由此可见，影响 MCU GPIO 翻转速度的因素有很多，包括系统主频、是否支持单周期翻转、Flash 读等待、翻转语句写法、编译器优化等级等多个因素。
最后再留一个问题供大家思考，为什么芯源 CW32L010 和灵动微 MM32G0001 同样都是跑 48Mhz 最高主频，芯源 CW32L010 无法达到理论值 12Mhz 但是灵动微 MM32G0001 却可以达到呢？
END
作者：TopSemic
来源：TopSemic嵌入式
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