关于CPU运行速度计算详解

【说在前面的话】

相对人的感官来说CPU跑的太快了——即便是人们常常用来描述时间短暂的“一眨眼功夫”对CPU来说也是及其“漫长”的好几百毫秒了——仔细想想有几个人能在一秒钟内连续眨十次眼睛呢？正因为如此，即便是超级循环里面顺次执行的多个任务，在人类看来也往往是“一瞬间就执行完了”。那么CPU究竟跑的有多快呢？是很快、非常快还是快得不得了？如果我们继续站在人类的视角考虑这个问题，其抽象程度无异于思考“无穷大究竟是多大”。

让我们想象着周围的时间相对你突然都慢了下来，从微处理器的视角重新审视这个世界。

【第一个参考点】

“1MHz就是 1us”

“1MHz就是1us”是一个基准概念，通过修改思考方式，我们就可以利用它快速而有效的解决很多实际问题。作为练习，我们来尝试依次快速的回答以下几个问题：

假设每个时钟脉冲都对应一个指令周期：

已知系统频率是1MHz，请问1us内有几个指令周期？

已知系统频率是12MHz，请问1us内有几个指令周期？

已知系统频率是11.3728MHz，请问1us内有几个指令周期？

已知系统频率是500KHz，请问1us内有几个指令周期？

很显然，如果你试图首先计算出系统周期：

再用1us去相除：

这个过程已经慢了。

让我们来换一种思维模式，既然1MHz对应1us（也就是1us对应一个指令周期），那么12MHz就是1MHz的12倍，1us时间内就有12个指令周期；同理可得，当系统频率分别是11.3728MHz和500KHz（0.5MHz）的时候，1us时间内对应的指令周期数分别是11.3728个和0.5个。

借助这个等效，我们就可以对CPU的处理能力建立更多量化的感官，比如1ms的时间内，CPU能做多少事情呢？由于1ms等于1000us，对1MHz的系统来说，1ms可以完成1000个指令周期，12MHz的系统可以完成12000个指令周期。然而1000和12000这样的数字对于只有十个手指的人类大脑来说还是太抽象了，因此我们更进一步，把指令周期换算成等效的代码尺寸：

由于主流的微控制器其指令集中大多是单周期指令，我们不妨假设所有指令都是单指令周期的，这样1个指令周期就对应一条指令；

假设每条指令都是2个字节大小（16位指令）；

这样，1ms时间内1MHz的系统可以运行大约2KB的代码，一个12MHz的系统可以运行24KB的代码，依次类推。

那么2KB是什么概念呢？如果你平时有留意编译后的代码尺寸，2KB大约是一个基础驱动库的尺寸，可以包含一个USART的驱动或者实现电源管理；而24KB几乎是一个小型工程应用的尺寸了。

借助这些非常具体的数字，我们很容易拿它们和中断处理程序进行比较，建立直观的认识——比如：

中断处理程序“执行的是不是足够快”？

“丢中断的风险究竟有多大”等等？

使用中断接收外设数据的时候会不会发生丢失？

可以肯定的是，这种忽略循环和条件分支的评估方法几乎是一个代码的最差情况，也就是说，在1MHz的系统中对于一个1KHz的毫秒中断，中断处理程序越接近2KB，就说明系统越可能“丢中断”。

在这种情况下，除非你通过编译器提供的等效汇编代码仔细的计算过实际的周期数，或者是通过perf_counter这样的工具实际测量过代码的周期消耗——确信时间上处理周期不会大于1ms且这期间不会存在其它中断处理程序，否则你的中断处理程序还是比2KB越小越好。

【一个真实的案例】

在一个72MHz的Cortex-M3/M4系统下，使用中断模式来接收串口数据，波特率为115200的情况下：

最大允许屏蔽中断多长时间？

中断处理程序允许的理论最大安全尺寸是多少？

首先，我们要搞清楚系统的指令大小和指令集的周期数情况。以ARM Cortex M3/M4为例，其指令大部分为单周期指令，支持16位指令和32位指令。为了评估中断处理程序的尺寸上线，我们可以分别以16位指令和32位指令为基础计算出两个结果作为参考范围；

其次，系统频率为72MHz，假设USART没有硬件FIFO，则115200的波特率在典型的“1起始位+1终止位+无校验位+8数据位”的配置下（每个数据帧对应10个bit），实际上对应最大11.52KB/s的数据率——或者说，USART完成中断每秒钟发生 11.52K次。至此，我们可以回答第一个问题，即在这一系统中最大允许屏蔽中断多长时间——1/11.52KHz ≈87us。

也就是说，假设中断屏蔽的时间为87us则中断处理程序的理论最大尺寸范围是（72 * 87 * 2）字节到（72 * 87 * 4）字节，即12.528KB到25.056KB之间。取最小值12KB。

结论，中断处理程序及其调用的子函数，其尺寸总和至少要小于12KB才能确保115200波特率的接收完成中断得到及时的响应。由于未考虑循环、分支以及其它任务的存在，以上结果仅用于粗略的快速评估，实际代码通常应该远小于这一上线值。当实际尺寸接近或者超过13KB时基本可以判定该系统存在无法及时稳定的响应中断的可能——需要对代码进行进一步的具体分析。

【结语】

“1MHz就是1us”的等效为我们提供了一个基准，建立了关于“CPU跑多快”最直观的感受，同时也为评估代码尺寸、系统可靠性提供了有力的参考。掌握了这个基准，作为一个合格的程序员，不应该仅凭人类的感觉毫无依据评价CPU的处理能力了，“72MHz足够快了吧？”“我已经用了芯片的最高频率”这种话再也不能轻易说了，我们应该定量而不是定性的去看待这类问题。
编辑：lyn