MCU上的代碼執(zhí)行時(shí)間
在許多實(shí)時(shí)應(yīng)用程序中，二八原則并不生效，CPU 可以花費(fèi)95%(或更多)的時(shí)間在不到5% 的代碼上。電動(dòng)機(jī)控制、引擎控制、無(wú)線通信以及其他許多對(duì)時(shí)間敏感的應(yīng)用程序都是如此。這些嵌入式系統(tǒng)通常是用c編寫(xiě)的，而且開(kāi)發(fā)人員常常被迫對(duì)代碼進(jìn)行手工優(yōu)化，可能會(huì)回到匯編語(yǔ)言，以滿足性能的需求。測(cè)量代碼部分的實(shí)際執(zhí)行時(shí)間可以幫助找到代碼中的熱點(diǎn)。本文將說(shuō)明如何可以方便地測(cè)量和顯示在基于Cortex-M MCU的實(shí)時(shí)執(zhí)行時(shí)間。
測(cè)量代碼的執(zhí)行時(shí)間
測(cè)量代碼執(zhí)行時(shí)間的方法有很多。作為一個(gè)嵌入式工程師，經(jīng)常使用一個(gè)或多個(gè)數(shù)字輸出和一個(gè)示波器。需要在執(zhí)行要監(jiān)視的代碼之前設(shè)置一個(gè)高的輸出，然后將輸出降低。當(dāng)然，在做這些之前有相當(dāng)多的設(shè)置工作: 找到一個(gè)或多個(gè)自由輸出，確保它們可以輕松訪問(wèn)，將端口配置為輸出，編寫(xiě)代碼，編譯，設(shè)置范圍等等。一旦有了一個(gè)信號(hào)，你可能需要對(duì)它進(jìn)行一段時(shí)間的監(jiān)視，以便看到最小值和***值。 數(shù)字存儲(chǔ)示波器使這個(gè)過(guò)程更容易，但是還有其他更簡(jiǎn)單的方法。
另一種測(cè)量執(zhí)行時(shí)間的方法是使用可跟蹤調(diào)試接口。只需要運(yùn)行代碼，查看跟蹤，計(jì)算 delta時(shí)間(通常是手動(dòng)的) ，并將CPU周期轉(zhuǎn)換為微秒。不幸的是，這個(gè)跟蹤給了一個(gè)執(zhí)行的實(shí)例，可能不得不在追蹤捕獲中進(jìn)一步查找最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間。這是一個(gè)乏味的過(guò)程。
Cortex-M 周期計(jì)數(shù)器
在大多數(shù)Cortex-M的處理器中調(diào)試端口包含一個(gè)32位的自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器，它可以計(jì)算 CPU 的時(shí)鐘周期。計(jì)數(shù)器是 Debug 觀察和跟蹤(DWT)模塊的一部分，可以很容易地用于測(cè)量代碼的執(zhí)行時(shí)間。下面的代碼是啟用和初始化這個(gè)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(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量代碼執(zhí)行時(shí)間
可以通過(guò)在目標(biāo)代碼之前和之后讀取周期計(jì)數(shù)器的值來(lái)測(cè)量和計(jì)算代碼段的執(zhí)行時(shí)間，如下所示。 當(dāng)然，這意味著必須設(shè)置代碼，但能夠得到一個(gè)非常準(zhǔn)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?yàn)槭褂玫氖菬o(wú)符號(hào)運(yùn)算，delta表示所測(cè)量代碼的實(shí)際執(zhí)行時(shí)間(CPU 時(shí)鐘周期)。
在測(cè)量開(kāi)始和停止讀數(shù)之間的代碼執(zhí)行時(shí)間時(shí)，可能會(huì)發(fā)生中斷，所以每次執(zhí)行這個(gè)序列很可能會(huì)有不同的值。在這種情況下，可能希望在測(cè)量過(guò)程中禁用中斷，但是要清楚禁用中斷是暫時(shí)的，只用于測(cè)量。盡管如此，也許應(yīng)該把中斷的任務(wù)包括進(jìn)來(lái)，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響到代碼的***執(zhí)行時(shí)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(cè)代碼包含條件語(yǔ)句、循環(huán)或任何可能導(dǎo)致變化的東西，那么獲得的值可能不代表最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間。為了糾正這個(gè)問(wèn)題，需要添加一個(gè)峰值檢測(cè)器，如下圖所示。當(dāng)然，在進(jìn)行任何測(cè)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(zhí)行時(shí)間也是有趣且有用的 在進(jìn)行任何測(cè)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(zhí)行時(shí)間還取決于CPU是否配備了緩存。如果系統(tǒng)中使用了指令或數(shù)據(jù)緩存，對(duì)同一段代碼的多重測(cè)量可能不一致。這時(shí)，可以考慮禁用緩存以測(cè)量最壞的情況。
大多數(shù)調(diào)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(nèi)聲明顯示變量，以保留它們的值并允許實(shí)時(shí)監(jiān)控。不幸的是，這些值代表的是CPU時(shí)鐘周期，而且大多數(shù)調(diào)試器還不夠成熟，無(wú)法為了顯示目的而對(duì)變量進(jìn)行縮放。假設(shè)一個(gè)16兆赫的CPU時(shí)鐘速度，顯示70.19微秒比顯示1123個(gè)周期要方便得多。實(shí)際上還有一種更好的方法來(lái)顯示這些變量，這也提供了規(guī)模化能力，可以以一種更加可讀的形式看待它們。
經(jīng)過(guò)的時(shí)間模塊
當(dāng)然，可以將代碼片段嵌入到應(yīng)用程序中，但還可以可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的模塊。 elapsedtime.c與elapsedtime.h，它僅由4個(gè)函數(shù)組成。
方法如下：
- 按照慣例，#include
- 在使用elapsedtime.c 中的其他函數(shù)之前，調(diào)用 elapsedtime_init()
- 通過(guò)設(shè)置"ELAPSEDTIMEMAX_SECTIONS"來(lái)定義時(shí)間測(cè)量結(jié)構(gòu)的***數(shù)目。這與用 stop/start代碼包裝的不同代碼段相對(duì)應(yīng)
- 調(diào)用elapsedtimestart()并傳遞要監(jiān)視的代碼片段的索引(即0 到ELAPSEDTIMEMAX_SECTIONS-1)
- 調(diào)用elapsedtimestop()并傳遞在運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)時(shí)所使用的相同索引
- 如果調(diào)試器允許監(jiān)視變量(即當(dāng)目標(biāo)正在運(yùn)行時(shí)) ，則可以顯示elapsedtimetbl[]，并查看對(duì)應(yīng)索引的運(yùn)行時(shí)間結(jié)構(gòu)
- 重復(fù)執(zhí)行步驟4到6，并將代碼置于最壞和***的情況下，以便ELAPSED_TIME數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的Min 和max 字段可以很好地表示所測(cè)量代碼片段的執(zhí)行時(shí)間
需要注意的是， 沒(méi)有在測(cè)量過(guò)程中禁用中斷，因?yàn)镮SR可能會(huì)涉及到，也需要了解這會(huì)如何影響感知的執(zhí)行時(shí)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(dāng)然，最小和***的執(zhí)行時(shí)間取決于測(cè)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(méi)有必要顯示起始字段，因?yàn)樗挥糜谠跍y(cè)量開(kāi)始時(shí)記錄DWT周期計(jì)數(shù)器的值，然而，啟動(dòng)字段可以用來(lái)顯示出來(lái)。換句話說(shuō)，當(dāng)看到這個(gè)值變化時(shí)，就會(huì)知道測(cè)量正在發(fā)生。
使用 uc / probe 的示例顯示
使用了elapsed_time.c 和 uc/probe，來(lái)測(cè)量一下代碼片段的執(zhí)行時(shí)間。
圖1| IAR 和 uc/probe 的樹(shù)視圖
圖1顯示了使用IAR的LiveWatch (左)和 uc / probe 的樹(shù)視圖(右）。截圖是在不同的時(shí)間拍攝的，是一個(gè)存儲(chǔ)不同代碼片段的測(cè)量值的數(shù)組。
可以將min/max/current分配給計(jì)量表和數(shù)字指示器，如圖2所示。CPU 運(yùn)行在80mhz，這些值以微秒顯示，應(yīng)用了0.0125的縮放因子。左側(cè)的按鈕用于重置統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從而迫使重新計(jì)算最小值和***值。
圖2 | 使用uc/probe 的儀表顯示***執(zhí)行時(shí)間
Uc/probe 的一個(gè)強(qiáng)大特性是能夠與微軟的 Excel 對(duì)接，從而在電子表格中顯示這些值(實(shí)時(shí)) ，如圖3所示。
圖3 | 使用 Excel 顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)
小結(jié)
作為嵌入式開(kāi)發(fā)人員，有許多工具可以用來(lái)測(cè)試和驗(yàn)證設(shè)計(jì)。對(duì)于代碼執(zhí)行時(shí)間，可以很容易地使用 Cortex-M 處理器眾多特性中的一個(gè)，即DWT周期計(jì)數(shù)器。
uc/probe 提供了很多功能，允許使用計(jì)量表、儀表盤(pán)、數(shù)字指示器、 Excel界面或圖表來(lái)監(jiān)控應(yīng)用程序中的許多變量。通過(guò)內(nèi)置的示波器功能，一旦觸發(fā)條件滿足，還可以捕獲多達(dá)7個(gè)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(xiàn)
https://www.micrium.com/ucprobe/about/
https://www.iar.com/iar-embedded-workbench/
https://www.arm.com/products/processors/cortex-m
【本文來(lái)自51CTO專(zhuān)欄作者“老曹”的原創(chuàng)文章，作者微信公眾號(hào)：喔家ArchiSelf,id:wrieless-com】
