MCU上的代碼執行時間
在許多實時應用程序中，二八原則并不生效，CPU 可以花費95%(或更多)的時間在不到5% 的代碼上。電動機控制、引擎控制、無線通信以及其他許多對時間敏感的應用程序都是如此。這些嵌入式系統通常是用c編寫的，而且開發人員常常被迫對代碼進行手工優化，可能會回到匯編語言，以滿足性能的需求。測量代碼部分的實際執行時間可以幫助找到代碼中的熱點。本文將說明如何可以方便地測量和顯示在基于Cortex-M MCU的實時執行時間。
測量代碼的執行時間
測量代碼執行時間的方法有很多。作為一個嵌入式工程師，經常使用一個或多個數字輸出和一個示波器。需要在執行要監視的代碼之前設置一個高的輸出，然后將輸出降低。當然，在做這些之前有相當多的設置工作: 找到一個或多個自由輸出，確保它們可以輕松訪問，將端口配置為輸出，編寫代碼，編譯，設置范圍等等。一旦有了一個信號，你可能需要對它進行一段時間的監視，以便看到最小值和***值。 數字存儲示波器使這個過程更容易，但是還有其他更簡單的方法。
另一種測量執行時間的方法是使用可跟蹤調試接口。只需要運行代碼，查看跟蹤，計算 delta時間(通常是手動的) ，并將CPU周期轉換為微秒。不幸的是，這個跟蹤給了一個執行的實例，可能不得不在追蹤捕獲中進一步查找最壞情況下的執行時間。這是一個乏味的過程。
Cortex-M 周期計數器
在大多數Cortex-M的處理器中調試端口包含一個32位的自由運行計數器，它可以計算 CPU 的時鐘周期。計數器是 Debug 觀察和跟蹤(DWT)模塊的一部分，可以很容易地用于測量代碼的執行時間。下面的代碼是啟用和初始化這個特性非常有用。
- #define ARM_CM_DEMCR (*(uint32_t *)0xE000EDFC)
- #define ARM_CM_DWT_CTRL (*(uint32_t *)0xE0001000)
- #define ARM_CM_DWT_CYCCNT (*(uint32_t *)0xE0001004)
- if (ARM_CM_DWT_CTRL != 0) { // See if DWT is available
- ARM_CM_DEMCR |= 1 << 24; // Set bit 24
- ARM_CM_DWT_CYCCNT = 0;
- ARM_CM_DWT_CTRL |= 1 << 0; // Set bit 0
- }
使用DWT周期計數器來測量代碼執行時間
可以通過在目標代碼之前和之后讀取周期計數器的值來測量和計算代碼段的執行時間，如下所示。 當然，這意味著必須設置代碼，但能夠得到一個非常準確的值。
- uint32_t start;
- uint32_t stop;
- uint32_t delta;
- start = ARM_CM_DWT_CYCCNT;
- // Code to measure
- stop = ARM_CM_DWT_CYCCNT;
- delta = stop – start;
因為使用的是無符號運算，delta表示所測量代碼的實際執行時間(CPU 時鐘周期)。
在測量開始和停止讀數之間的代碼執行時間時，可能會發生中斷，所以每次執行這個序列很可能會有不同的值。在這種情況下，可能希望在測量過程中禁用中斷，但是要清楚禁用中斷是暫時的，只用于測量。盡管如此，也許應該把中斷的任務包括進來，因為它們會影響到代碼的***執行時間。
- Disable Interrupts;
- start = ARM_CM_DWT_CYCCNT;
- // Code to measure
- stop = ARM_CM_DWT_CYCCNT;
- Enable Interrupts;
- delta = stop – start;
如果所測代碼包含條件語句、循環或任何可能導致變化的東西，那么獲得的值可能不代表最壞情況下的執行時間。為了糾正這個問題，需要添加一個峰值檢測器，如下圖所示。當然，在進行任何測量之前，需要將 max 聲明并初始化為最小值(即0)。
- start = ARM_CM_DWT_CYCCNT;
- // Code to measure
- stop = ARM_CM_DWT_CYCCNT;
- delta = stop – start;
- if (max < delta) {
- max = delta;
- }
同樣，知道最短執行時間也是有趣且有用的 在進行任何測量之前，只需要聲明和初始化***可能值(即0xFFFFFFFF)。下面是新的代碼: ``` tart = ARMCMDWT_CYCCNT;
- // Code to measure
- stop = ARMCMDWT_CYCCNT;
- delta = stop – start;
- if (max < delta) {
- max = delta;
- }
- if (min > delta) {
- min = delta;
} ``` 就像 Cortex-M4處理器和 Cortex-M7那樣，執行時間還取決于CPU是否配備了緩存。如果系統中使用了指令或數據緩存，對同一段代碼的多重測量可能不一致。這時，可以考慮禁用緩存以測量最壞的情況。
大多數調試器允許顯示這些變量值。如果是這樣，則需要在全局范圍內聲明顯示變量，以保留它們的值并允許實時監控。不幸的是，這些值代表的是CPU時鐘周期，而且大多數調試器還不夠成熟，無法為了顯示目的而對變量進行縮放。假設一個16兆赫的CPU時鐘速度，顯示70.19微秒比顯示1123個周期要方便得多。實際上還有一種更好的方法來顯示這些變量，這也提供了規模化能力，可以以一種更加可讀的形式看待它們。
經過的時間模塊
當然，可以將代碼片段嵌入到應用程序中，但還可以可以使用一個簡單的模塊。 elapsedtime.c與elapsedtime.h，它僅由4個函數組成。
方法如下：
- 按照慣例，#include
- 在使用elapsedtime.c 中的其他函數之前，調用 elapsedtime_init()
- 通過設置"ELAPSEDTIMEMAX_SECTIONS"來定義時間測量結構的***數目。這與用 stop/start代碼包裝的不同代碼段相對應
- 調用elapsedtimestart()并傳遞要監視的代碼片段的索引(即0 到ELAPSEDTIMEMAX_SECTIONS-1)
- 調用elapsedtimestop()并傳遞在運行時啟動時所使用的相同索引
- 如果調試器允許監視變量(即當目標正在運行時) ，則可以顯示elapsedtimetbl[]，并查看對應索引的運行時間結構
- 重復執行步驟4到6，并將代碼置于最壞和***的情況下，以便ELAPSED_TIME數據結構中的Min 和max 字段可以很好地表示所測量代碼片段的執行時間
需要注意的是， 沒有在測量過程中禁用中斷，因為ISR可能會涉及到，也需要了解這會如何影響感知的執行時間。
- void main (void)
- {
- // Some code
- elapsed_time_init(); // Iitialize the module
- // Some code
- }
- void MyCode (void)
- {
- // Some code here
- elapsed_time_start(0); // Start measurement of code snippet #0
- // Code being measured
- elapsed_time_stop(0); // Stop and
- // Some other code
- }
當然，最小和***的執行時間取決于測量的頻率，以及代碼是否分別受到***和最差條件的限制。
另外，沒有必要顯示起始字段，因為它只用于在測量開始時記錄DWT周期計數器的值，然而，啟動字段可以用來顯示出來。換句話說，當看到這個值變化時，就會知道測量正在發生。
使用 uc / probe 的示例顯示
使用了elapsed_time.c 和 uc/probe，來測量一下代碼片段的執行時間。
圖1| IAR 和 uc/probe 的樹視圖
圖1顯示了使用IAR的LiveWatch (左)和 uc / probe 的樹視圖(右）。截圖是在不同的時間拍攝的，是一個存儲不同代碼片段的測量值的數組。
可以將min/max/current分配給計量表和數字指示器，如圖2所示。CPU 運行在80mhz，這些值以微秒顯示，應用了0.0125的縮放因子。左側的按鈕用于重置統計數據，從而迫使重新計算最小值和***值。
圖2 | 使用uc/probe 的儀表顯示***執行時間
Uc/probe 的一個強大特性是能夠與微軟的 Excel 對接，從而在電子表格中顯示這些值(實時) ，如圖3所示。
圖3 | 使用 Excel 顯示實時數據
小結
作為嵌入式開發人員，有許多工具可以用來測試和驗證設計。對于代碼執行時間，可以很容易地使用 Cortex-M 處理器眾多特性中的一個，即DWT周期計數器。
uc/probe 提供了很多功能，允許使用計量表、儀表盤、數字指示器、 Excel界面或圖表來監控應用程序中的許多變量。通過內置的示波器功能，一旦觸發條件滿足，還可以捕獲多達7個額外變量值。
附錄代碼
elapsed_time.c
- #include <stdint.h>
- #include <elapsed_time.h>
- /*
- ********************************************************************************
- * CORTEX-M - DWT TIMER
- ********************************************************************************
- */
- #define ARM_CM_DEMCR (*(uint32_t *)0xE000EDFC)
- #define ARM_CM_DWT_CTRL (*(uint32_t *)0xE0001000)
- #define ARM_CM_DWT_CYCCNT (*(uint32_t *)0xE0001004)
- /*
- ********************************************************************************
- * Data Structure
- ********************************************************************************
- */
- typedef struct elapsed_time {
- uint32_t start;
- uint32_t current;
- uint32_t max;
- uint32_t min;
- } ELAPSED_TIME;
- /*
- ********************************************************************************
- * STORAGE FOR ELAPSED TIME MEASUREMENTS
- ********************************************************************************
- */
- static ELAPSED_TIME elapsed_time_tbl[ELAPSED_TIME_MAX_SECTIONS];
- /*
- ********************************************************************************
- * MODULE INITIALIZATION
- *
- * Note(s): Must be called before any of the other functions in this module
- ********************************************************************************
- */
- void elapsed_time_init (void)
- {
- uint32_t i;
- if (ARM_CM_DWT_CTRL != 0) { // See if DWT is available
- ARM_CM_DEMCR |= 1 << 24; // Set bit 24
- ARM_CM_DWT_CYCCNT = 0;
- ARM_CM_DWT_CTRL |= 1 << 0; // Set bit 0
- }
- for (i = 0; i < ELAPSED_TIME_MAX_SECTIONS; i++) {
- elapsed_time_clr(i);
- }
- }
- /*
- ********************************************************************************
- * START THE MEASUREMENT OF A CODE SECTION
- ********************************************************************************
- */
- void elapsed_time_start (uint32_t i)
- {
- elapsed_time_tbl[i].start = ARM_CM_DWT_CYCCNT;
- }
- /*
- ********************************************************************************
- * STOP THE MEASUREMENT OF A CODE SECTION AND COMPUTE STATS
- ********************************************************************************
- */
- void elapsed_time_stop (uint32_t i)
- {
- uint32_t stop;
- ELAPSED_TIME *p_tbl;
- stop = ARM_CM_DWT_CYCCNT;
- p_tbl = &elapsed_time_tbl[i];
- p_tbl->current = stop - p_tbl->start;
- if (p_tbl->max < p_tbl->current) {
- p_tbl->max = p_tbl->current;
- }
- if (p_tbl->min > p_tbl->current) {
- p_tbl->min = p_tbl->current;
- }
- }
- /*
- ********************************************************************************
- * CLEAR THE MEASUREMENTS STATS
- ********************************************************************************
- */
- void elapsed_time_clr (uint32_t i)
- {
- ELAPSED_TIME *p_tbl;
- p_tbl = &elapsed_time_tbl[i];
- p_tbl->start = 0;
- p_tbl->current = 0;
- p_tbl->min = 0xFFFFFFFF;
- p_tbl->max = 0;
- }
- elapsed_time.h
- /*
- ********************************************************************************
- * MODULE TO MEASURE EXECUTION TIME
- ********************************************************************************
- */
- /*
- ********************************************************************************
- * MAXIMUM NUMBER OF ELAPSED TIME MEASUREMENT SECTIONS
- ********************************************************************************
- */
- #define ELAPSED_TIME_MAX_SECTIONS 10
- /*
- ********************************************************************************
- * FUNCTION PROTOTYPES
- ********************************************************************************
- */
- void elapsed_time_clr (uint32_t i); // Clear measured values
- void elapsed_time_init (void); // Module initialization
- void elapsed_time_start (uint32_t i); // Start measurement
- void elapsed_time_stop (uint32_t i); // Stop measurement
參考文獻
https://www.micrium.com/ucprobe/about/
https://www.iar.com/iar-embedded-workbench/
https://www.arm.com/products/processors/cortex-m
【本文來自51CTO專欄作者“老曹”的原創文章，作者微信公眾號：喔家ArchiSelf,id:wrieless-com】
