在許多實(shí)時(shí)應(yīng)用程序中，CPU 可以在不到 5% 的代碼中花費(fèi) 95%（或更多）的時(shí)間。電機(jī)控制、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、無線通信和許多其他對(duì)時(shí)間敏感的應(yīng)用就是這種情況。這些嵌入式系統(tǒng)通常是用 C 語言編寫的，并且開發(fā)人員經(jīng)常被迫手動(dòng)優(yōu)化代碼，可能會(huì)恢復(fù)為匯編語言，以滿足緊迫的期限。測量部分代碼的實(shí)際執(zhí)行時(shí)間可以幫助您找到代碼中的熱點(diǎn)。本文將展示如何輕松測量和顯示實(shí)時(shí)基于 Cortex-M 的 MCU 上的代碼執(zhí)行時(shí)間。

測量代碼的執(zhí)行時(shí)間

有很多方法可以測量代碼執(zhí)行時(shí)間。作為一名嵌入式工程師，我經(jīng)常使用一個(gè)或多個(gè)數(shù)字輸出和示波器。您只需在執(zhí)行要監(jiān)視的代碼之前將其中一個(gè)輸出設(shè)置為高電平，然后再將輸出設(shè)置為低電平。當(dāng)然，在您執(zhí)行此操作之前還有相當(dāng)多的設(shè)置工作：找到一個(gè)或多個(gè)空閑輸出，確保它們易于探測，將端口配置為輸出，編寫代碼，編譯，設(shè)置范圍等等。 收到信號(hào)后，您可能需要對(duì)其進(jìn)行一段時(shí)間的監(jiān)控以查看最小值和最大值。數(shù)字存儲(chǔ)示波器使這個(gè)過程更容易，但還有其他方法比這更容易。

測量執(zhí)行時(shí)間的另一種方法是使用具有跟蹤功能的調(diào)試探針。您只需運(yùn)行代碼、查看跟蹤、計(jì)算增量時(shí)間（通常是手動(dòng)）并將 CPU 周期轉(zhuǎn)換為微秒。不幸的是，跟蹤為您提供了一個(gè)執(zhí)行實(shí)例，您可能需要進(jìn)一步查看跟蹤捕獲以找到最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間。這可能是一個(gè)乏味的過程。

Cortex-M 周期計(jì)數(shù)器

大多數(shù)基于 Cortex-M 的處理器上的 CoreSight 調(diào)試端口都包含一個(gè) 32 位自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器，用于計(jì)算 CPU 時(shí)鐘周期。該計(jì)數(shù)器是調(diào)試監(jiān)視和跟蹤 （DWT） 模塊的一部分，可輕松用于測量代碼的執(zhí)行時(shí)間。以下代碼是啟用和初始化這個(gè)非常有用的功能所需的全部內(nèi)容。

#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） { // 看看

DWTDEMCR是否可用 ARM = 1 《《 24; // 設(shè)置位 24

ARM_CM_DWT_CYCCNT = 0;

ARM_CM_DWT_CTRL |= 1 《《 0; // 設(shè)置位 0

}

使用 DWT 循環(huán)計(jì)數(shù)器測量代碼執(zhí)行時(shí)間

您可以通過讀取該段之前和之后的循環(huán)計(jì)數(shù)器的值來測量和計(jì)算代碼段的執(zhí)行時(shí)間，如下所示。當(dāng)然，這意味著您必須檢測您的代碼，但您會(huì)得到一個(gè)非常準(zhǔn)確的值。

uint32_t 開始；

uint32_t 停止；

uint32_t 增量；

開始 = ARM_CM_DWT_CYCCNT；

// 測量

停止的代碼 = ARM_CM_DWT_CYCCNT;

delta = 停止 - 開始；

因?yàn)槲覀兪褂玫氖菬o符號(hào)數(shù)學(xué)，所以 delta 表示測量代碼的實(shí)際執(zhí)行時(shí)間（以 CPU 時(shí)鐘周期為單位），即即使 stop 小于 start。

當(dāng)然，在測量開始和停止讀數(shù)之間括起來的代碼的執(zhí)行時(shí)間時(shí)可能會(huì)發(fā)生中斷，因此每次執(zhí)行此序列時(shí)很可能會(huì)有不同的值。在這種情況下，您可能希望在測量期間禁用中斷以刪除該偽影，如下所示，但要了解禁用中斷是暫時(shí)的，并且僅包含在測量中。話雖如此，包含中斷的工件可能會(huì)很有用，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響代碼的截止日期。

禁用中斷；

開始 = ARM_CM_DWT_CYCCNT；

// 測量

停止的代碼 = ARM_CM_DWT_CYCCNT;

啟用中斷；

delta = 停止 - 開始；

如果被測量的代碼包含條件語句、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。要糾正這個(gè)問題，您可以簡單地添加一個(gè)峰值檢測器，如下所示。當(dāng)然，在進(jìn)行任何測量之前，需要聲明 max 并將其初始化為最小值（即 0）。

開始 = ARM_CM_DWT_CYCCNT；

// 測量

停止的代碼 = ARM_CM_DWT_CYCCNT;

delta = 停止 - 開始；

if （max 《 delta） {

max = delta;

}

同樣，了解最短執(zhí)行時(shí)間也可能很有趣且有用。在進(jìn)行任何測量之前，只需聲明 min 并將其初始化為最大可能值（即 0xFFFFFFFF）。這是新代碼：

開始 = ARM_CM_DWT_CYCCNT；

// 測量

停止的代碼 = ARM_CM_DWT_CYCCNT;

delta = 停止 - 開始；

if （max 《 delta） {

max = delta;

}

if （min 》 delta） {

min = delta;

}

執(zhí)行時(shí)間還取決于 CPU 是否配備高速緩存，就像某些 Cortex-M4 處理器和 Cortex-M7 一樣。如果您的系統(tǒng)使用指令或數(shù)據(jù)緩存，則同一段代碼的多次測量可能會(huì)不一致。您可能會(huì)考慮禁用緩存以測量最壞的情況。

為了顯示這些值，大多數(shù)調(diào)試器允許您實(shí)時(shí)顯示這些變量值。如果是這種情況，則需要在全局范圍內(nèi)聲明顯示的變量以保留其值并允許實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外，不幸的是，這些值代表 CPU 時(shí)鐘周期，并且大多數(shù)調(diào)試器都不夠復(fù)雜，無法縮放變量以用于顯示目的。假設(shè) CPU 時(shí)鐘速度為 16 MHz，顯示 70.19 微秒比顯示 1123 個(gè)周期要方便得多。實(shí)際上有一種更好的方法來顯示實(shí)時(shí)變量，它還提供了縮放值的能力，因此您可以以更易讀的形式查看它們。我將很快解釋如何做到這一點(diǎn)。

經(jīng)過時(shí)間模塊

您當(dāng)然可以將代碼片段添加到您的應(yīng)用程序中，或者您可以使用我編寫的一個(gè)簡單模塊（包含在本文中）。與 elapsed_time.h 模塊一起出現(xiàn)在下方的“elapsed_time.c”模塊僅包含 4 個(gè)函數(shù)。

要使用：

只需#include

在使用 elapsed_time.c 中定義的其他函數(shù)之前調(diào)用 elapsed_time_init（）。

通過設(shè)置 ELAPSED_TIME_MAX_SECTIONS 定義經(jīng)過時(shí)間測量結(jié)構(gòu)的最大數(shù)量。這對(duì)應(yīng)于您要使用停止/啟動(dòng)代碼包裝的不同代碼片段的數(shù)量。

調(diào)用 elapsed_time_start（） 并將您要監(jiān)視的代碼片段的索引傳遞給它（即 0 。. ELAPSED_TIME_MAX_SECTIONS-1）。

調(diào)用 elapsed_time_stop（） 并將您在 elapsed_time_start（） 調(diào)用中使用的索引傳遞給它。

如果您的調(diào)試器允許您實(shí)時(shí)監(jiān)控變量（即在目標(biāo)運(yùn)行時(shí)），您可以顯示 elapsed_time_tbl［］ 并查看您使用的相應(yīng)索引的 ELAPSED_TIME 結(jié)構(gòu)。

重復(fù)執(zhí)行第 4 步到第 6 步，并讓您的代碼處于最壞和最好的情況下，以便 ELAPSED_TIME 結(jié)構(gòu)的 .min 和 .max 字段很好地表示您正在測量的代碼片段的執(zhí)行時(shí)間。

您會(huì)注意到（請(qǐng)參閱 elapsed_time.c）我在測量期間沒有禁用中斷，因?yàn)榭赡苌婕?ISR，您可能想知道這如何影響感知的執(zhí)行時(shí)間。

void main （void）

{

// 一些代碼

elapsed_time_init（）; // 初始化模塊

// 一些代碼

}

void MyCode （void）

{

// 這里的一些代碼

elapsed_time_start（0）; // 開始測量代碼片段 #0

// 正在測量的代碼

elapsed_time_stop（0）; // 停止和

// 一些其他代碼

}

當(dāng)然，最小和最大執(zhí)行時(shí)間取決于您進(jìn)行測量的頻率以及代碼是否分別受制于其最佳和最差條件。

elapsed_time_tbl［］ 中的字段可以使用 Silicon Labs 的 Micrium uC/Probe 顯示。事實(shí)上，uC/Probe 可以顯示每個(gè)字段并縮放每個(gè)值，以便可以將 CPU 時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換為微秒，這更加友好。與大多數(shù) Cortex-M MCU 內(nèi)置的 CoreSight 調(diào)試端口連接時(shí)，uC/Probe 不需要對(duì)您的代碼進(jìn)行任何檢測。

附帶說明一下，不需要顯示起始字段，因?yàn)樗鼉H用于記錄測量開始時(shí) DWT 循環(huán)計(jì)數(shù)器的值。但是，開始字段可用于顯示活動(dòng)。換句話說，當(dāng)您看到此值發(fā)生變化時(shí)，您就會(huì)知道正在進(jìn)行測量。

使用 uC/Probe 的示例顯示

我將 elapsed_time.c 模塊與 uC/Probe 結(jié)合使用，并測量了四個(gè)代碼片段的執(zhí)行時(shí)間。

圖 1 顯示了使用 IAR 的 LiveWatch（左）和 uC/Probe 的 Tree View 控件（右）的原始形式的值。請(qǐng)注意，屏幕截圖是在不同時(shí)間拍攝的。elapsed_time_tbl［］ 是一個(gè)數(shù)組，用于存儲(chǔ)不同代碼片段的測量值。

圖 1，IAR 和 uC/Probe 的樹形視圖控件。

您還可以將最小/最大/當(dāng)前值分配給儀表和數(shù)字指示器，如圖 2 所示。在這里，這些值以微秒為單位顯示，因?yàn)槲覒?yīng)用了 0.0125 的縮放因子，CPU 以 80 MHz 運(yùn)行。我還決定只顯示最大執(zhí)行時(shí)間。左側(cè)的按鈕用于重置統(tǒng)計(jì)信息，從而強(qiáng)制重新計(jì)算最小值和最大值。

【圖2 | 使用 uC/Probe 的儀表之一顯示最大執(zhí)行時(shí)間。］

uC/Probe 非常強(qiáng)大的功能之一是能夠與 Microsoft 的 Excel 交互，從而在電子表格上顯示值（實(shí)時(shí)），如圖 3 所示。

【圖3 | 使用 Excel 顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。］

概括

作為嵌入式開發(fā)人員，我們有很多工具可以用來測試和驗(yàn)證我們的設(shè)計(jì)。我已經(jīng)演示了使用 Cortex-M 處理器的眾多功能之一是多么容易，即 DWT 循環(huán)計(jì)數(shù)器。

Micrium 的 uC/Probe 提供了許多功能，允許您使用儀表、儀表、數(shù)字指示器、Excel 界面或圖形/繪圖來監(jiān)控應(yīng)用程序中的許多變量。憑借其內(nèi)置的示波器功能，一旦滿足觸發(fā)條件，您還可以捕獲多達(dá)七個(gè)附加變量的值。

隨意使用或改進(jìn) elapsed_time.* 模塊。不要猶豫，向我發(fā)送反饋。我考慮添加的另一個(gè)功能是在最大執(zhí)行時(shí)間超過閾值時(shí)調(diào)用的回調(diào)函數(shù)。如果您想在這種情況發(fā)生時(shí)立即收到通知（打開 LED、發(fā)出警報(bào)等），這可能很有用。事實(shí)上，您甚至可以設(shè)置一個(gè)斷點(diǎn)，以防您想查看是什么條件導(dǎo)致超過閾值。

審核編輯：郭婷