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如何測量ARM Cortex-M MCU代碼的執(zhí)行時間

奈因PCB電路板設(shè)計 ? 來源:麥克泰技術(shù) ? 作者:麥克泰 ? 2021-08-26 09:20 ? 次閱讀

在許多實(shí)時應(yīng)用中,如電機(jī)控制、發(fā)動機(jī)控制、無線通信等時間敏感的應(yīng)用,CPU可能花費(fèi)不到5%的時間執(zhí)行代碼。這些嵌入式系統(tǒng)通常用C語言編寫,開發(fā)人員可能會使用到匯編語言優(yōu)化代碼,以滿足時間期限(deadline)要求。測量部分代碼的實(shí)際執(zhí)行時間可以幫助我們找到代碼中的時間關(guān)鍵點(diǎn)。

本文將展示如何輕松測量和顯示基于Cortex-M MCU的代碼片段的執(zhí)行時間。

測量執(zhí)行時間的方法

有很多方法可以測量代碼執(zhí)行時間。嵌入式工程師經(jīng)常使用數(shù)字輸出和示波器。我們可以在監(jiān)視的代碼執(zhí)行之前,設(shè)置輸出為高電平,代碼執(zhí)行后將輸出設(shè)置為低電平。當(dāng)然,在執(zhí)行此操作之前需要進(jìn)行大量設(shè)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(jìn)行一段時間的監(jiān)測以查看其運(yùn)行時間的最小值和最大值。

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

Cortex-M周期計數(shù)器

Cortex-M的處理器上的 CoreSight調(diào)試端口包含一個32位自由運(yùn)行計數(shù)器,用于CPU時鐘周期計數(shù)。計數(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)行時間。啟用和初始化該功能所需的代碼如下:

e2b842d0-e411-11eb-a97a-12bb97331649.png

使用DWT周期計數(shù)器測量代碼執(zhí)行時間

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

e2c254fa-e411-11eb-a97a-12bb97331649.png

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

在代碼執(zhí)行期間可能會發(fā)生中斷,因此每次執(zhí)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?yàn)樗鼈儠绊懘a的時間期限。

e2ca3cd8-e411-11eb-a97a-12bb97331649.png

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(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)。

e2d42626-e411-11eb-a97a-12bb97331649.png

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

e2dc8636-e411-11eb-a97a-12bb97331649.png

執(zhí)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(tǒng)使用了指令或數(shù)據(jù)cache,則同一代碼段的多次測量結(jié)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(shù)調(diào)試器能夠?qū)崟r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(shí)時監(jiān)控。這些值代表CPU時鐘周期,但大多數(shù)調(diào)試器無法為顯示目的縮放變量。假設(shè)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(shí)際上有一種更好的方式來顯示實(shí)時變量,使用μC/Probe實(shí)時監(jiān)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(yīng)用中添加測量,監(jiān)控四個代碼片段的執(zhí)行時間,并通過μC/Probe顯示測量結(jié)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(shù)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(yùn)行,使用了0.0125的縮放因子。僅顯示最長執(zhí)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(shí)時值,如下圖所示。

e31cca0c-e411-11eb-a97a-12bb97331649.png

總結(jié)

作為嵌入式開發(fā)人員,我們有許多工具可以用來測試和驗(yàn)證我們的設(shè)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(jiān)控應(yīng)用程序中的變量。基于Cortex-M處理器的DWT 周期計數(shù)器功能和μC/Probe,我們可以輕松實(shí)現(xiàn)Cortex-M MCU應(yīng)用的設(shè)計驗(yàn)證工作。

責(zé)任編輯:haq

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原文標(biāo)題:教你一招:在ARM Cortex-M MCU上測量代碼執(zhí)行時間

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