【性能对比实战】：STM32与GD32在实际应用中的性能差异分析


参考资源链接：[GD32与STM32兼容性分析及移植指南](https://wenku.csdn.net/doc/qfif93pgy8?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32与GD32微控制器简介

微控制器是现代嵌入式系统的核心，其中STM32和GD32是两种广受欢迎的微控制器系列。STM32以其高性能和丰富的生态系统在业界广受欢迎，而GD32则以其成本效益和兼容性在市场中占有一席之地。STM32系列由STMicroelectronics生产，基于ARM Cortex-M核心，其产品线覆盖了从基础到高级的各种性能需求。GD32是由GigaDevice推出的与STM32兼容的32位微控制器，它提供了类似的功能和引脚布局，使得从STM32到GD32的迁移变得相对容易。

flowchart LR
A[STM32] -->|兼容性| B[GD32]

在选择微控制器时，开发人员会考虑多种因素，包括性能、成本、功耗、开发工具和社区支持等。本章将为读者提供这两种微控制器的概述，并在后续章节中深入探讨它们的性能评估和实际应用场景。

# 2. 微控制器性能评估基础

### 2.1 性能评估指标解析

#### 2.1.1 CPU性能
在微控制器的性能评估中，CPU性能是至关重要的参数之一。它不仅决定了微控制器能够处理的数据量，还影响处理速度和处理效率。评估CPU性能通常包括以下几个方面：

- **时钟频率**：CPU的工作速度，即多少赫兹（Hz）。在相同的架构下，频率越高，理论上处理速度越快。
- **指令集**：指令集定义了CPU能够执行的操作。更复杂、优化更好的指令集通常能提供更高的性能。
- **执行效率**：包括管线深度、流水线效率、指令执行周期等，这些都决定了CPU实际处理指令的能力。

一般情况下，评估CPU性能的方法包括执行基准测试程序和实际应用负载测试，这些测试可以提供CPU在不同操作下的性能表现。

例如，一个基准测试可能会要求CPU执行一系列复杂的数学运算，通过完成任务所用的时间和资源消耗来评估性能。

在实际应用中，CPU性能评估还需要考虑实际工作环境的温度、电压等因素，这些都可能对CPU性能产生显著的影响。

#### 2.1.2 存储性能
存储性能涉及到微控制器的内部存储器，包括随机存取存储器（RAM）和非易失性存储器（如Flash）的读写速度和数据吞吐量。这些性能参数对于评估整个系统的反应速度和稳定性至关重要。

- **RAM读写速度**：衡量RAM访问数据的速度，通常以纳秒（ns）或更短时间单位衡量。
- **Flash存储性能**：包括擦除、编程和读取速度，对于程序下载、数据保存和读取操作的速度影响重大。

衡量这些存储性能的方法多种多样，例如，使用存储测试软件模拟大量数据的写入和读取操作，记录完成这些操作所需的时间，同时还要考虑系统响应的实时性。

一个典型的测试可能包括连续写入和读取1MB大小的数据块，记录所用的时间来评估存储性能。

存储性能的评估不仅对于开发者选择合适的微控制器有指导意义，同时对于运行内存和存储密集型应用的性能优化也至关重要。

#### 2.1.3 I/O性能
输入输出（I/O）性能关乎微控制器与外围设备的数据交换效率。I/O性能的高低直接影响到微控制器与外部设备的交互速度，例如传感器数据的采集、电机控制信号的输出等。

- **GPIO响应速度**：通用输入输出（GPIO）端口响应外部事件的速度，这是评估微控制器对实时事件反应能力的重要指标。
- **外设接口性能**：包括SPI、I2C、UART等通信接口的速率，这些接口的性能决定了微控制器与外围设备通信的效率。

I/O性能的评估通常需要针对不同的应用和外设进行定制化的测试，如使用信号发生器产生特定频率的脉冲信号，测量微控制器处理这些信号的时间，以此来评估I/O响应速度。

例如，测试一个微控制器的I2C接口传输1KB数据块的性能，可以使用示波器监控接口的SCL和SDA信号，记录从开始传输到完成的时间。

### 2.2 性能评估工具与方法

#### 2.2.1 常用的性能测试软件
为了评估微控制器的性能，开发者通常会使用专门的性能测试软件。这些软件能够提供标准化的测试套件，帮助开发者全面、客观地评估微控制器的性能。比较流行的性能测试软件包括：

- **CoreMark**：由EEMBC开发的一个标准的性能测试，主要测试CPU的处理能力。
- **Dhrystone**：另一个广泛使用的性能测试程序，用于评估编译器和CPU的整数性能。
- **SysBench**：这是一个跨平台的性能测试工具，支持多线程测试，适用于测试多线程应用程序的性能。

性能测试软件对于标准化微控制器性能测试提供了便利，但开发者在使用时仍需注意测试环境的一致性，以保证测试结果的可靠性。

#### 2.2.2 实验设计和测试流程
进行微控制器性能评估通常包括以下步骤：

1. **需求分析**：明确评估的目的和需求，如需评估的性能指标，被测试微控制器的型号等。
2. **测试环境设置**：准备测试所需的硬件和软件环境，确保环境的稳定性和可重复性。
3. **测试执行**：运行性能测试软件，收集微控制器的性能数据。
4. **数据记录与分析**：将测试结果记录下来，通过统计分析方法处理测试数据。

在整个流程中，测试环境的设置非常关键，它包括测试硬件的连接方式、外设的配置、电源条件等。这些都是为了确保测试结果能够真实反映微控制器的性能。

#### 2.2.3 数据收集与分析技术
在性能测试中，收集和分析数据是重要的环节。有效的数据收集和分析技术可以帮助开发者更准确地评估微控制器的性能。以下是几种常见的数据收集和分析方法：

- **时序分析**：记录不同操作的开始和结束时间，用于评估操作的响应时间。
- **资源监控**：使用资源监控工具，如CPU监视器或内存使用情况记录工具，了解微控制器在不同任务中的资源使用情况。
- **统计分析**：对收集到的数据使用统计分析方法，如平均值、标准差、最大值和最小值等，找出性能瓶颈。

一个典型的性能数据分析流程包括：

1. **测试结果的初步审查**：查看测试结果是否在正常范围内。
2. **数据清洗**：去除异常数据，处理缺失值。
3. **统计分析**：计算性能指标的平均值、标准差等统计值。
4. **趋势分析**：分析性能指标随时间或其他变量的变化趋势。

例如，可以使用图表来显示微控制器在运行不同测试用例时CPU和内存的使用情况，发现是否存在性能瓶颈。

通过科学合理的数据收集与分析技术，可以将评估结果量化，为后续的性能优化和决策提供依据。

# 3. STM32与GD32性能基准测试

本章节将深入探讨STM32与GD32微控制器的性能基准测试方法，并对比它们在不同方面的性能指标。基准测试提供了一种量化的方式来评估和比较微控制器的性能，这有利于开发人员根据实际需求选择合适的微控制器，并在产品设计中进行相应的优化。

## 3.1 CPU处理能力对比

CPU是微控制器的心脏，其处理能力直接影响到整个系统的运行效率。测试CPU性能可以通过多种方法，包括但不限于基本指令执行速度测试和复杂算法处理能力测试。

### 3.1.1 基本指令执行速度测试

基本指令执行速度通常涉及简单的算术运算、逻辑操作和数据移动等。我们可以通过编写测试程序，反复执行这些基本操作，并计算平均执行时间来评估CPU的性能。

#### 示例代码：

// 示例代码演示如何测试单个基本指令的执行时间
#include <stdint.h>
#include <time.h>
#include <stdio.h>

int main(void) {
    // 测试变量
    uint32_t cycles;
    uint64_t start, stop, elapsed;

    // 初始化变量
    volatile uint32_t count = 0;

    // 获取开始时间
    start = time_us_32(); 

    // 执行测试循环
    for (cycles = 0; cycles < 1000000; cycles++) {
        count++; // 执行基本操作
    }

    // 获取结束时间
    stop = time_us_32();

    // 计算经过的时间
    elapsed = stop - start;

    printf("基本指令执行循环耗时: %llu 微秒\n", elapsed);
    return 0;
}

在上述代码中，我们使用`time_us_32()`函数获取了32位微控制器上的高精度计时器的当前时间值。通过计算在执行一定次数的基本操作前后的计时器值的差值，我们可以得到基本操作的执行时间。这个时间越短，说明CPU处理速度越快。

### 3.1.2 复杂算法处理能力测试

对于复杂算法的测试，我们可以选择一些标准算法如排序、图像处理或加密算法等，来测试微控制器的性能。测试时，我们记录算法执行的时间，并比较不同微控制器的性能。

#### 示例代码：

// 示例代码演示如何测试排序算法的执行时间
#include <stdint.h>
#include <time.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define SIZE 10000

void bubble_sort(uint32_t *array, uint32_t size) {
    for (uint32_t i = 0; i < size - 1; i++) {
        for (uint32_t j = 0; j < size - i - 1; j++) {
            if (array[j] > array[j + 1]) {
                uint32_t temp = array[j];
                array[j] = array[j + 1];
                array[j + 1] = temp;
            }
        }
    }
}

int main(void) {
    uint32_t array[SIZE];

    // 初始化随机数生成器
    srand(time(NULL));

    // 填充数组
    for (uint32_t i = 0; i < SIZE; i++) {
        array[i] = rand() % SIZE;
    }

    // 测试排序算法的执行时间
    clock_t start = clock();
    bubble_sort(array, SIZE);
    clock_t stop = clock();

    double elapsed = (double)(stop - start) / CLOCKS_PER_SEC;
    printf("复杂算法（冒泡排序）执行耗时: %f 秒\n", elapsed);
    return 0;
}

通过上述代码，我们对一个大小为`SIZE`的数组执行冒泡排序算法，并记录执行时间。这里我们使用了C标准库中的`clock()`函数来获取CPU时间。这个值越小，说明微控制器执行该算法的能力越强。

## 3.2 存储性能对比

在微控制器中，存储性能通常指内存和非易失性存储（如Flash）的读写速度。性能测试可以揭示微控制器在存储方面的优势和劣势。

### 3.2.1 内存读写速度测试

内存读写速度测试一般通过反复地进行数据的读取和写入操作来完成。可以使用特定的数据模式（如连续写入、随机写入等）来进行测试，以模拟不同的使用场景。

#### 示例代码：

// 示例代码演示如何测试内存的读写速度
#include <stdint.h>
#include <time.h>
#include <stdio.h>

#define BUFFER_SIZE 10000

void test_memory_speed(uint8_t *buffer, uint32_t size) {
    uint32_t cycle