如何在MCU上測量代碼執(zhí)行時間？

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來源：麥克泰技術(shù)

在許多實時應(yīng)用中，如電機控制、發(fā)動機控制、無線通信等時間敏感的應(yīng)用，CPU可能花費不到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。測量部分代碼的實際執(zhí)行時間可以幫助我們找到代碼中的時間關(guān)鍵點。

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：

?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。

無符號數(shù)delta表示被測代碼的實際執(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(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）。

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：

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。實際上有一種更好的方式來顯示實時變量，使用μC/Probe實時監(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時值，如下圖所示。

?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?；贑ortex-M處理器的DWT 周期計數(shù)器功能和μC/Probe，我們可以輕松實現(xiàn)Cortex-M MCU應(yīng)用的設(shè)計驗證工作。

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