工程苗小兵

先楫資深FAE工程師

電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)碩士研究生，一個(gè)從事了20多年的功率控制的工程小兵，有多年的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電源控制經(jīng)驗(yàn)，專注電力電子控制方向。

簡(jiǎn) 介

先楫半導(dǎo)體為客戶提供了480MHz - 1GHz的不同主頻高性能MCU，適用于不同高算力、實(shí)時(shí)控制要求的場(chǎng)合。在電機(jī)、電源應(yīng)用場(chǎng)合，需要us級(jí)響應(yīng)和運(yùn)算，對(duì)響應(yīng)時(shí)間的一致性、快速性都有非常高的要求。隨著MCU主頻提高，MCU的存儲(chǔ)方式和總線頻率也更加多樣化，先楫MCU中內(nèi)部有ILM、DLM、AXI_SRAM、flash等多種存儲(chǔ)空間，但同時(shí)不同存儲(chǔ)需要的時(shí)鐘也不同，給軟件工程師設(shè)計(jì)帶來(lái)很大困擾。先楫在官網(wǎng)已經(jīng)提供了優(yōu)化DSP和FFT運(yùn)算、使用片上SRAM等相關(guān)應(yīng)用文檔。

本文重點(diǎn)簡(jiǎn)述基于電機(jī)、電源應(yīng)用的具體代碼優(yōu)化方案。

經(jīng)驗(yàn)分享

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ILM程序優(yōu)化

以下展示的是HPM6280的系統(tǒng)框圖

CPU內(nèi)部包含了ILM、DLM、cache，這些內(nèi)存都可達(dá) 600Mhz主頻。AXI總線上有AXI_SRAM和ILM_SLV、DLM_SLV，訪問(wèn)頻率可達(dá)200MHz，總線寬度64bit，可以cache緩存。XPI接口為QSPI總線，最高頻率133Mhz，雙沿采樣，通常只有4bit寬度。其中AHB總線還有32kbyte SRAM，但主要用于外設(shè)存儲(chǔ)，這里不做贅述。

實(shí)際應(yīng)用中程序都會(huì)放到flash中存儲(chǔ)，而XPI的接口速度極大限制了代碼執(zhí)行效率。此外，由于XPI接口是可以cache緩存，導(dǎo)致XPI執(zhí)行時(shí)cache命中和沒(méi)有命中的運(yùn)行時(shí)間差別非常大，代碼一致性很差。為了方便客戶使用，可以生成工程時(shí)選用debug/release模式，指定程序在ILM中執(zhí)行。隨后通過(guò)先楫manufacture tool可以實(shí)現(xiàn)鏡像功能，即生成在從FLASH 加載的RAM啟動(dòng)鏡像。通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)代碼完全在ILM中執(zhí)行。

鏡像助手可將SDK中的debug/release 構(gòu)建的應(yīng)用轉(zhuǎn)化為FLASH啟動(dòng)鏡像。

關(guān)鍵參數(shù):

固件首地址相對(duì)容器首地址偏移

加載地址

入口點(diǎn)地址

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SEGGER編譯優(yōu)化在AXI_RAM執(zhí)行

由于ILM空間限制，很多電源或電機(jī)復(fù)雜應(yīng)用無(wú)法將程序全部放到ILM中執(zhí)行，會(huì)導(dǎo)致因讀取存儲(chǔ)速度限制了CPU算力。

HPM6200、HPM6E00系列在AXI總線的大容量SRAM可以配置成程序存儲(chǔ)，其中HPM6260、HPM6E60還可以將CPU1的ILM、DLM配置到AXI總線上，基本滿足了絕大部分應(yīng)用。AXI RAM主頻可達(dá)200Mhz，64bit位寬，有cache緩存，可以大大減少程序讀取對(duì)CPU性能的影響。

segger編譯器可以自動(dòng)生成flash加載到RAM的拷貝代碼，只要在linker文件中配置相應(yīng)特性，不需要額外修改flash拷貝代碼。

在linker文件中重新劃分AXI RAM，增加代碼區(qū)域。在軟件中指定代碼生成后存放區(qū)域。

通過(guò)SDK GUI直接指定修改后的linker文件，即可實(shí)現(xiàn)代碼在ILM+AXIRAM中執(zhí)行。

代碼指定區(qū)域可以通過(guò)SEEGER IDE批量指定文件或文件夾的程序放置區(qū)域，也可以在函數(shù)名前面增加函數(shù)宏定義。

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GCC編譯優(yōu)化在AXI_RAM執(zhí)行

先楫產(chǎn)品支持Andes加速指令，可以加速三角函數(shù)、指數(shù)運(yùn)算等復(fù)雜運(yùn)行速度，但同時(shí)需要GCC編譯器支持。

在linker文件中重新劃分AXI RAM，增加代碼區(qū)域。在軟件中指定代碼生成后存放區(qū)域。

與segger編譯器不同，GCC編譯需要增加額外代碼實(shí)現(xiàn)flash加載到RAM的拷貝，需要修改相應(yīng)的reset.c文件。

支持Andes加速指令需要引用hpm_math.h庫(kù)文件，會(huì)調(diào)用libdspf.a、libdspd.a、libdsp.a等封裝庫(kù)。由于封裝庫(kù)非明文代碼，無(wú)法通過(guò)常規(guī)方法指定代碼存放區(qū)域，導(dǎo)致調(diào)用該代碼時(shí)會(huì)因代碼放置在flash降低整體執(zhí)行速度。需要在linker文件中額外配置響應(yīng)代碼區(qū)域分配。

GCC編譯后無(wú)法像segger一樣編譯后通過(guò)圖形顯示生成代碼的占有率，且map文件閱讀性差。對(duì)gcc編譯的map文件需要引用AMAP.EXE工具。

GCC編譯需要增加額外代碼實(shí)現(xiàn)flash加載到RAM的拷貝，相應(yīng)代碼位于 SOC/HPM6XXX/TOOLCHAINS/GCC/reset.c中。

在reset.c中函數(shù)c_startup實(shí)現(xiàn)flash到RAM程序的拷貝。

程序運(yùn)行時(shí)，會(huì)以start.s開(kāi)始，進(jìn)入main函數(shù)之前先調(diào)用c_startup 函數(shù)完成程序搬移，在客戶的應(yīng)用代碼中不會(huì)因程序放置位置不同而增加額外操作。

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優(yōu)化小知識(shí)

segger編譯器會(huì)將所有常數(shù)默認(rèn)為定點(diǎn)數(shù)，即使該常數(shù)為小數(shù)，也需要在對(duì)應(yīng)常數(shù)前加強(qiáng)制浮點(diǎn)轉(zhuǎn)換或者在常數(shù)后面加“f”做說(shuō)明。

函數(shù)的inline定義在optimization level=0時(shí)是無(wú)效的，需要把優(yōu)化等級(jí)設(shè)為1或更高。

建議將常用函數(shù)或變量通過(guò)attribute屬性定義到“.fast”和“.fast_ram”。

先楫MCU為多總線系統(tǒng)，當(dāng)CPU讀寫(xiě)外設(shè)時(shí)會(huì)有時(shí)鐘同步問(wèn)題，建議在配置外設(shè)時(shí)盡量提高外設(shè)頻率，減少時(shí)鐘同步延遲。

HPM6260以及HPM6E60可以通過(guò)ILM_SLV、DLM_SLV接口可以將CPU1的內(nèi)部存儲(chǔ)作為AXI_RAM使用。