本帖最后由 QiaoJiannan 于 2016-6-8 10:41 编辑
写这篇文章纯属偶然，MCU benchmark有很多方法，且不同类型MCU benchmark方法完全不同，很难说谁好谁快？ 不过，对电子爱好者来说，还是挺想知道“我所用的MCU”计算到底多快？本文，就从打酱油、非专业、大无畏精神出发，探讨入门级单片机计算性能到底如何、如何。
单片机能干的事儿很多啊，我通常用来：
- 控制个灯啊、空调啊、电视啊、小车啊神马的。
- 用传感器采集个温度啊、湿度啊、电压、电流、水流、人脸啊神马的。
- 显示输出：液晶、OLED、数码管；声音；电风扇神马的。
- 超低功耗：家里的中央控制系统基于树莓派，不到2W功耗。
- 便携。貌似自己做成的东西极少具有便携性。。。
在没有接触Arduino前都是用51倒腾，玩了有几年，觉得51是最适合电子爱好者用的芯片，简单、便宜、功能足够！但接触Arduino后才明白，原来还有这么个东东，比51先进得多，实在太好用了！ 记得学51从二进制地址学起，不太好懂。后来用C开发经常问：“明明 c=a+b; print(c); 就行了，我干嘛要去学指令、寄存器、寻址？”高级语言屏蔽底层很多东西，让编程变得简单。并不是基础知识没用，这好比高等数学这道门槛（俺数学专业），你必须弄懂基础知识体系才能理解数学世界的美妙！但如果是经济学专业，不懂数学基础知识同样可以玩儿转经济学！你从中获得的乐趣跟你投入成正比。所以，我用单片机并不是科班那种需要弄懂MCU每个功能、每个模块，我用单片机就接接外设，完成我的想法而已。也许，只用到了单片机十分之一。说实话，极少使用单片机计算能力（话说这也不是单片机的强项呀），但如你要做个智能小车、四轴飞行器、PID控制，那就需要一定的计算能力了。
开始，只是简单想看看单片机运算有多快，偶然机会跟坛友交换了一块chipKIT Uno32（MIPS芯片），就想横向比较一下不同MCU的差别，于是就有了本文。其实，计算能力通过指令时钟周期来计算，科学准确，但对于不太精通底层知识的我，汇编犹如天书，真心看不懂啊！所以，还是用我自己的土办法测一下吧。
先说测试方法和原理：
- 只测试+、-、*、/、%五种操作符，uint8_t、uint16_t、uint32_t、uint64_t、float、double六种数据类型的性能。
首先测10000次空循环的时间，然后在循环中加入操作数，记录总的时间，减去空循环时间就是计算消耗的时间。 测试中由于有系统中断（Arduino、STM32都有Tick中断，51为计时也有中断），结果不会很准，话说也没指望它能有多准。。。 编译器优化参数 -O0，一开始测出来的运行时间都为“零”，彻底凌乱。研究之后方得知，编译器优化干掉空循环，需通过参数关闭优化。 不同芯片数据类型支持不一样，有些数据类型会缺失。例如Arduino Uno中的float和double是一样的，都是float；但32位架构MCU中的double是float宽度的两倍。
代码类似这样：
说个小故事。如不关闭测试优化选型，把全局变量定义成局部变量，加法、减法的测试时间为“零”，没错，10000次计算不到4微秒，这显然不可能。后来研究一番方得知编译器默认优化参数是-Os，很多计算直接优化了。。。。
测试用的板子：
- 传统的AT89C516，还有宏晶鼓吹的1T 51单片机（STC12C5A60S2）
- Arduino UNO（ATmega 328），Arduino Due（Atmel SAM3X8E，ARM架构的）
- chipKit Uno32（PIC32MX320F128 MIPS架构）
- ST Nucleo F0（STM32F030R8），Nucleo F1（STM32F103RB），都是ARM架构的
测试用开发环境：
- 51谈不上什么优化参数，我用的uVision 2。晶振用22.1184M，据说这个片子可以跑到40M，我就呵呵一下好了。
- Arduino IDE 1.6.9，图中2/3都是用Arduino环境，其中编译器参数需要修改platform.txt文件，默认是-Os（优化大小），改成-O0（完全不优化），这个要重启Arduino才能有效。。。
- STM用的是MDK 5.16，HAL库。没办法，对STM32真不熟，能捣鼓出结果很不错了！mbed计时函数有问题，F0、F1芯片无法得出微秒级时间，只好用HAL，话说用CubeMX生成代码还真挺方便的。
计时方法：
- 51用TIMER0计时，这个太简单了，每计数 12/22.1184 微秒啊！
- Arduino用系统micros()，根据两次记录的时间差，精度4微秒。
- STM用HAL库函数提供的HAL_GetTick()，通过HAL_SYSTICK_Config(HAL_RCC_GetHCLKFreq()/10000); 把计数器设为100微秒，再快会对计算有影响。
硬件说明：
- 部分芯片带硬件乘、除法器，啊，那个性能好的没话说。
- 32位MCU处理8/16/32位效果都是32位，但要求不高的地方，8位也够。
- 结果通过串口返回，Arduino串口超简单、STM32用HAL库串口通信也还行，这51串口啊，我就不说了。
测试结果：
分析：
综上所述，对于单片机选用哪一款都是可以的，STM32F1系列虽然综合最好，但学习门槛高，不易入门；51芯片虽历史悠久，性能可圈可点，但在Arduino的冲击下真没什么价值了。业余爱好者追求的是简单操作、快速搭建，Arduino完美的社区资源是任何其它芯片比不了滴！所以，建议非专业爱好者还是用Arduino来搭建原型，需要速度上MIPS芯片的chipKit，总有满足你的！
以上分析的是无优化性能，有点不公平。因为，实际上没人会无优化的编译，那么打开优化是什么样子呢？请看下图 （Arduino支持-O3，但考虑AVR片上Flash空间紧张，还是用-Os来说，附件有完整-O3的结果）
哇，性能全部飙升啊！平均都有3~5倍的提升，这也说明MCU的速度很依赖编译器！
- Arduino Due的性能比Uno快了近10倍，且Due的乘除性能不比STM32差，得益于ARM核心和硬件计算单元啊。
- MIPS架构总体最快，32位性能灰常优异，仅浮点比STM32F103略慢。
- STM32F103不愧是芯片之王，综合性能最好，尤其浮点处理能力！用于PID、四轴飞行器的计算很合适。
最后，真正的乐趣不是看谁跑得快，而是设计一段程序，让它能在完全不同的系统跑起来的那种成就感！这篇文章也是随手而写，测试内容并不是非常严谨，仅作参考。
扩展阅读：
在成文之前搜了下关于MCU的benchmark，才明白我可真是真井底之蛙！早有专业的测试算法工具，比如Dhrystone 。我也把他们在Arduino和MDK平台上都编译了一下，结果挺有意思的，具体结果就不贴了，大家可以自己试一下。如果真的想了解MCU的benchmark还得用这种成熟的方法，土方法只能娱乐而已。。。
Dhrystone Arduino下可运行：https://github.com/ghalfacree/Arduino-Sketches/tree/master/Dhrystone STM32下可运行：http://www.stm32duino.com/viewtopic.php?t=76
参考资料： 本文用到的代码和报告：http://pan.baidu.com/s/1i4KNxOx
| 
有了这些物件库存更简洁方便！
汽车元件对其它工业又多重要？
你可知道伺服马达今年150岁啦！
LED灯丝灯如何选择驱动电源？
发表于 2016-6-7 08:10 PM
