AVR中断服务例程的执行速度未达到预期的速度（指令开销？）

我正在开发一个具有7个输入的小型逻辑分析仪。我的目标设备是ATmega168时钟频率为20MHz的设备。为了检测逻辑更改，我使用了引脚更改中断。现在，我试图找出可以检测到这些引脚变化的最低采样率。我确定的最小值为5.6 µs（178.5 kHz）。低于此速率的每个信号我都无法正确捕获。

我的代码是用C（avr-gcc）编写的。我的例程如下所示：

ISR()
{
    pinc = PINC; // char
    timestamp_ll = TCNT1L; // char
    timestamp_lh = TCNT1H; // char
    timestamp_h = timerh; // 2 byte integer
    stack_counter++;
}

我捕获的信号变化位于pinc。为了对其进行本地化，我有一个4字节长的时间戳值。

在数据表中，我读到了中断服务程序需要5个时钟周期才能进入，而5个时钟周期则可以返回主程序。我假设我的每个命令ISR()要花1个时钟来执行；因此总而言之，应该有5 + 5 + 5 = 15时钟的开销。一个时钟的持续时间应根据20MHz的时钟速率而定1/20000000 = 0.00000005 = 50 ns。那么，以秒为单位的总开销应为：15 * 50 ns = 750 ns = 0.75 µs。现在，我不明白为什么我不能捕获低于5.6 µs的任何东西。谁能解释这是怎么回事？

有几个问题：

• 并非所有AVR命令都需要1个时钟来执行：如果您看一下数据手册的背面，它具有执行每个指令所需要的时钟数。因此，例如AND一条时钟指令，MUL（相乘）需要两个时钟，而LPM（加载程序存储器）是3，并且CALL是4。因此，就指令执行而言，它实际上取决于指令。
• 跳入5个时钟和返回5个时钟可能会引起误解。如果查看反汇编的代码，您会发现除了跳转和RETI指令之外，编译器还会添加各种其他代码，这也需要时间。例如，您可能需要在堆栈上创建且必须弹出的局部变量，等等。要了解实际情况，最好的办法就是查看反汇编。
• 最后，请记住，当您处于ISR例程中时，中断不会触发。这意味着您将无法从逻辑分析仪中获得所需的性能，除非您知道信号电平的变化间隔长于服务中断所需的间隔。明确地说，一旦您计算出执行ISR所需的时间，这便为您捕获信号的速度提供了上限。如果您需要捕获两个信号，那么您就开始陷入麻烦。要对此进行过于详细的考虑，请考虑以下情形：

如果x是处理中断所需的时间，则信号B将永远不会被捕获。

如果我们采用您的ISR代码，将其粘贴到一个ISR例程（我使用过ISR(PCINT0_vect)）例程中，声明所有变量volatile，然后为ATmega168P进行编译，那么在获得该代码之前，反汇编的代码如下所示（有关更多信息，请参见@jipple的回答）。“做某事”；换句话说，ISR的序言如下：

  37                    .loc 1 71 0
  38                    .cfi_startproc
  39 0000 1F92              push r1
  40                .LCFI0:
  41                    .cfi_def_cfa_offset 3
  42                    .cfi_offset 1, -2
  43 0002 0F92              push r0
  44                .LCFI1:
  45                    .cfi_def_cfa_offset 4
  46                    .cfi_offset 0, -3
  47 0004 0FB6              in r0,__SREG__
  48 0006 0F92              push r0
  49 0008 1124              clr __zero_reg__
  50 000a 8F93              push r24
  51                .LCFI2:
  52                    .cfi_def_cfa_offset 5
  53                    .cfi_offset 24, -4
  54 000c 9F93              push r25
  55                .LCFI3:
  56                    .cfi_def_cfa_offset 6
  57                    .cfi_offset 25, -5
  58                /* prologue: Signal */
  59                /* frame size = 0 */
  60                /* stack size = 5 */
  61                .L__stack_usage = 5

因此，PUSHx 5，inx 1，clrx1。不如jipple的32位var差，但仍然没有。

其中一些是必要的（扩展评论中的讨论）。显然，由于ISR例程可以随时发生，因此它必须预先设定其使用的寄存器，除非您知道没有可能发生中断的代码使用与中断例程相同的寄存器。例如，反汇编的ISR中的以下行：

push r24

那里是因为一切都经过了r24：您的文件pinc在进入内存之前就已加载到那里，等等。因此，您必须首先拥有它。__SREG__被加载r0然后推送：如果可以通过，r24那么您可以为自己保存一个PUSH

一些可能的解决方案：

• 使用Kaz在评论中建议的紧密轮询循环。无论您是用C还是汇编语言编写循环，这都可能是最快的解决方案。
• 以汇编形式编写您的ISR：通过这种方式，您可以优化寄存器的使用，从而在ISR期间需要保存最少的寄存器。
• 声明您的ISR例程ISR_NAKED，尽管事实证明这更像是一个红鲱鱼解决方案。当您声明ISR例程时ISR_NAKED，gcc不会生成序言/结尾代码，您有责任保存代码修改后的所有寄存器以及进行调用reti（从中断返回）。不幸的是，无法直接在avr-gcc C中使用寄存器（显然您可以在汇编中使用），但是，您可以做的是使用+ 关键字将变量绑定到特定的寄存器，如下所示：。如果这样做，对于ISR，您将知道您在ISR中使用的寄存器。然后的问题是，没有办法生成和生成registerasmregister uint8_t counter asm("r3");pushpop保存已使用的寄存器而不进行内联汇编（请参阅第1点）。为了确保节省更少的寄存器，您还可以将所有非ISR变量也绑定到特定的寄存器，但是，不会遇到gcc使用寄存器将数据混入和移出内存的问题。这意味着除非您查看反汇编，否则您将不知道主要代码使用的寄存器。因此，如果您正在考虑ISR_NAKED，则最好以汇编形式编写ISR。

在您实际的ISR开始之前，有很多PUSH'和POP'ing寄存器要进行堆栈操作，这是在您提到的5个时钟周期之上。看一下生成的代码的反汇编。

根据您使用的工具链，以各种方式转储列出我们的程序集。我在Linux命令行上工作，这是我使用的命令（它需要.elf文件作为输入）：

avr-objdump -C -d $(src).elf

看一看我最近用于ATtiny的代码片段。这是C代码的样子：

ISR( INT0_vect ) {
        uint8_t myTIFR  = TIFR;
        uint8_t myTCNT1 = TCNT1;

这是为其生成的汇编代码：

00000056 <INT0_vect>:
  56:   1f 92           push    r1
  58:   0f 92           push    r0
  5a:   0f b6           in      r0, SREG        ; 0x3f
  5c:   0f 92           push    r0
  5e:   11 24           eor     r1, r1
  60:   2f 93           push    r18
  62:   3f 93           push    r19
  64:   4f 93           push    r20
  66:   8f 93           push    r24
  68:   9f 93           push    r25
  6a:   af 93           push    r26
  6c:   bf 93           push    r27
  6e:   48 b7           in      r20, TIFR       ; uint8_t myTIFR  = TIFR;
  70:   2f b5           in      r18, TCNT1      ; uint8_t myTCNT1 = TCNT1;

老实说，我的C例程使用了更多的变量来导致所有这些push's和pop'，但您明白了。

加载一个32位变量看起来像这样：

  ec:   80 91 78 00     lds     r24, 0x0078
  f0:   90 91 79 00     lds     r25, 0x0079
  f4:   a0 91 7a 00     lds     r26, 0x007A
  f8:   b0 91 7b 00     lds     r27, 0x007B

将32位变量增加1如下所示：

  5e:   11 24           eor     r1, r1
  d6:   01 96           adiw    r24, 0x01       ; 1
  d8:   a1 1d           adc     r26, r1
  da:   b1 1d           adc     r27, r1

存储一个32位变量如下所示：

  dc:   80 93 78 00     sts     0x0078, r24
  e0:   90 93 79 00     sts     0x0079, r25
  e4:   a0 93 7a 00     sts     0x007A, r26
  e8:   b0 93 7b 00     sts     0x007B, r27

然后，当然，一旦离开ISR，您就必须弹出旧值：

 126:   bf 91           pop     r27
 128:   af 91           pop     r26
 12a:   9f 91           pop     r25
 12c:   8f 91           pop     r24
 12e:   4f 91           pop     r20
 130:   3f 91           pop     r19
 132:   2f 91           pop     r18
 134:   0f 90           pop     r0
 136:   0f be           out     SREG, r0        ; 0x3f
 138:   0f 90           pop     r0
 13a:   1f 90           pop     r1
 13c:   18 95           reti

根据数据表中的指令摘要，大多数指令为单周期，而PUSH和POP为双周期。您知道延迟来自何处？