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                                嵌入式系統

                                如何在MCU上測量代碼執行時間?

                                  2021年07月14日  

                                  在許多實時應用中,如電機控制、發動機控制、無線通信等時間敏感的應用,CPU可能花費不到5%的時間執行代碼。這些嵌入式系統通常用C語言編寫,開發人員可能會使用到匯編語言優化代碼,以滿足時間期限(deadline)要求。測量部分代碼的實際執行時間可以幫助我們找到代碼中的時間關鍵點。下面將展示如何輕松測量和顯示基于Cortex-M MCU的代碼片段的執行時間。

                                測量執行時間的方法

                                  有很多方法可以測量代碼執行時間。嵌入式工程師經常使用數字輸出和示波器。我們可以在監視的代碼執行之前,設置輸出為高電平,代碼執行后將輸出設置為低電平。當然,在執行此操作之前需要進行大量設置工作:找到易于探測的輸出引腳,將端口配置為輸出,編寫代碼,編譯等等。獲得信號后,你可能需要對其進行一段時間的監測以查看其運行時間的最小值和最大值。

                                  測量執行時間的另一種方法是使用具有跟蹤功能的調試工具。你只需運行代碼、查看跟蹤、手動計算增量時間并將CPU周期轉換為微秒。不幸的是,跟蹤僅提供一次執行實例,你可能需要進一步查看跟蹤捕獲以找到最壞情況的執行時間,這可能是一個乏味的過程。

                                Cortex-M周期計數器

                                  Cortex-M的處理器上的 CoreSight調試端口包含一個32位自由運行計數器,用于CPU時鐘周期計數。計數器是調試監視和跟蹤 (DWT) 模塊的一部分,可輕松用于測量代碼的執行時間。啟用和初始化該功能所需的代碼如下:

                                使用DWT周期計數器測量代碼執行時間

                                  我們可以通過讀取代碼段前后的循環計數器的值來測量并計算代碼片段的執行時間,如下所示。

                                  無符號數delta表示被測代碼的實際執行時間(以CPU時鐘周期為單位)。

                                  在代碼執行期間可能會發生中斷,因此每次執行此序列獲得時間值可能并不相同,我們也可以在測量期間禁用中斷以移除中斷的影響。但建議在測量中允許中斷,因為它們會影響代碼的時間期限。

                                  如果被測量的代碼包含條件語句、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。要解決此問題,可以簡單地添加一個峰值檢測,如下所示。在進行任何測量之前,需要聲明 max 并將其初始化為最小值(即 0)。

                                  同樣,如果需要了解最短執行時間,min只需在測量之前聲明并初始化為最大計數值(即 0xFFFFFFFF)。代碼如下:

                                  執行時間還取決于 CPU是否配備cache,某些Cortex-M4和Cortex-M7處理器集成了Cache。如果 系統使用了指令或數據cache,則同一代碼段的多次測量結果可能會不一致。你可以考慮禁用cache來衡量最壞的情況。

                                  大多數調試器能夠實時顯示這些變量值。我們可以使用Global聲明顯示的變量以保留其值并允許實時監控。這些值代表CPU時鐘周期,但大多數調試器無法為顯示目的縮放變量。假設CPU時鐘速度為16 MHz,顯示70.19微秒比顯示1123個周期要方便得多。實際上有一種更好的方式來顯示實時變量,使用μC/Probe實時監控工具,它還提供了縮放能力,以易讀的形式查看變量值。

                                使用μC/Probe顯示測量值

                                  在應用中添加測量,監控四個代碼片段的執行時間,并通過μC/Probe顯示測量結果。 下圖顯示了使用 IAR的LiveWatch(左)和 μC/Probe 的Tree View控件(右)的原始測量值。elapsed_time_tbl[] 是一個數組,用于存儲不同代碼片段的測量值。

                                  你還可以將min/max/current值分配給gauge和numeric indicator控件,如下圖所示。這里的值以微秒為單位顯示,示例中CPU以80 MHz 運行,使用了0.0125的縮放因子。僅顯示最長執行時間。

                                  uC/Probe還可以與Microsoft的Excel連接,從而在電子表格中顯示實時值,如下圖所示。

                                總結

                                  作為嵌入式開發人員,我們有許多工具可以用來測試和驗證我們的設計。μC/Probe提供了許多功能,允許用戶使用gauge、meter、numeric indictor、Excel或graph/plots來監控應用程序中的變量?;贑ortex-M處理器的DWT 周期計數器功能和μC/Probe,我們可以輕松實現Cortex-M MCU應用的設計驗證工作。

                                 

                                文章來源于網絡

                                標簽:嵌入式  MCU  我要反饋
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