APM32芯得EP.44|GPIO翻转速度极限在哪里？

1 背景

近期有小伙伴讨论到APM32F103ZE的GPIO翻转速度极限值是多少？他用C语言的GPIO翻转速度远远达不到。本文章对APM32F103ZE的GPIO翻转速度的最大值的测试过程进行梳理分享。

2 APM32F103ZE基本规格

首先我们先去确认一下APM32F103ZE基本规格：

1. 主频：96MHz

2. GPIO处于APB2时钟上，最大频率支持96MHz。

注：我的测试平台是APM32F103ZET6 MINI板，测试引脚是PE5/PE6。

3 GPIO翻转频率测试

常见的GPIO翻转的测试非常简单，使用C语言编写，深究底层就是控制其输出寄存器，不断重复输出0/1此时便是翻转。但我们这里是测试极限速度，我们需要注意主频（包括GPIO所在的APB2时钟）要求是最高，GPIO模式什么的也要求设置为最高值。

梳理我们的需求，输出我们的测试步骤：

1. 设置主频为96MHz。

2. AHB与APB2不分频。

3. GPIO初始化为推挽输出模式、速度设置为50MHz。

4. 设置GPIO的BSC与BC寄存器（或者是ODATA寄存器），使其交替输出0/1。

3.1 C语言函数版本

这个版本的测试代码与我们LED闪烁的频率并无不同，仅是把延时取消掉即可。

代码直接调用：APM_MINI_LEDToggle函数即可。

测试情况如下：

发现速度仅1MHz这样而已。

难道速度仅此而已了么？由于C语言的函数调用是有一定的消耗（函数的调用涉及出栈入栈等消耗）。那我们进阶一下呢？直接操作寄存器呢？

3.2 C语言寄存器版本

我们把C语言库函数最深层的内容的寄存器表达直接写在main函数里面的while循环里        面，以减少由于函数的调用的损耗。

参考代码如下：

APM_MINI_LEDInit(LED2);

APM_MINI_LEDInit(LED3);

while (1)

{

{// 这两者是一致的

// GPIOE->ODATA = 0x00000060;

// GPIOE->ODATA = 0x00000000;

GPIOE->BSC = 0x00000060;

GPIOE->BC  = 0x00000060;

}

}

我们查看示波器：

我们发现，频率确实有所提升但是这个波形十分奇怪：理论上的高低电平的占比比是不一致的。为什么呢？

我们查看一下反汇编代码：

如图所示，我们发现使得GPIO翻转的汇编指令分别为第3/5条的STR指令，这两个指令直接的间隔指令数量并不一致，所以导致了最终输出的波形占空比有问题：

1. 指令3至指令5：中间间隔指令4。

2. 指令5至指令3：中间间隔指令6、1、2。

3.3 汇编版本1

为了测试极限值，我们把翻转GPIO的功能写成汇编代码，汇编代码的加入大家可以查阅网上的资料。我这里直接新建一个.s文件，在该文件中编写测试的代码。

在测试函数1中，我们把寄存器的赋值等内容放在循环外面，循环中仅进行GPIO的翻转，不做其他事情。

参考代码如下：

gpio_toggle_speed_1 PROC

LDR R0, =0x40011800                         ; Load the address of GPIOE ODR into R0

LDR R1, =0x60                               ; Load the toggle value into R1

toggle_1

STR R1, [R0, #0x10]                         ; Store R1 into GPIOE BSRR register (Set bits)

STR R1, [R0, #0x14]                         ; Store R1 into GPIOE BRR register (Reset bits)

B toggle_1                                   ; Branch unconditionally to 'toggle' label

ENDP

测试波形如下：

频率进一步提高，但是占空比依旧有所问题，那消耗在哪里呢？是的，正如前文所说，跳转指令“B”导致的。

3.4 汇编版本2

由此，我们把翻转的代码增多，这样子相比之下跳转指令的影响就减少了。

频率来到了24MHz左右！那这个会不会是最高频率了呢？我们把主频提升至120MHz（超频），发现频率已经无法上升，或者设置其程序运行至RAM也无法提升。

4 测试总结

按照本文的测试方法，APM32F103ZE的GPIO翻转理论最大速度基本为24MHz这样。你有什么好的测试方案么？欢迎在评论区留言。