嵌入式代码执行时间测量实战：从DWT到RTOS的几种方法

在嵌入式开发中，开发者经常面临以下挑战：

• 优化效果难以量化：修改大量代码后，无法直观判断性能是否提升
• 实时性要求苛刻：控制算法需要精确评估是否满足1kHz、4kHz等高频率周期

1. 嵌入式时间测量的常见陷阱

在PC端测量代码执行时间相对简单，可使用std::chrono、gettimeofday或各种性能分析工具。但在MCU/SoC环境中，复杂度显著增加：

• 操作系统支持有限：许多裸机或轻量级RTOS环境缺乏成熟的时间API，需要直接操作寄存器
• 资源约束严格：主频仅几十到几百MHz，带宽有限，额外的printf输出都可能改变原有时序
• 动态频率调整：芯片的变频、低功耗模式和时钟管理会导致"周期数-时间"转换关系非线性

常见错误做法包括：

• 使用毫秒级系统节拍测量微秒级代码：例如用1ms的SysTick测量10us函数，结果永远显示为0
• 过度依赖printf输出：printf本身执行时间可能远超被测代码

2. 主流测量方案对比

• CPU周期计数器（如DWT_CYCCNT）：精度最高，侵入性最小
• 片上定时器/SysTick：工程中最常用的平衡方案
• GPIO翻转+示波器/逻辑分析仪：最直观的波形观测方式
• RTOS运行时间统计/Trace：系统级优化的有效工具

2.1 CPU周期计数器（最高精度方案）

以Cortex-M架构为例，内核内置调试用的周期计数器（DWT_CYCCNT），使能后每个CPU周期自动递增1。

测量流程：

• 开始测量：读取DWT_CYCCNT作为起始值start
• 结束测量：再次读取作为结束值end
• 计算周期差：delta = end - start
• 转换时间：Δt = delta / f_cpu

Cortex-M4的DWT_CYCCNT初始化

以下为STM32平台的典型初始化代码（关键部分精简）：

实际测量代码段示例：

从工程角度看，若芯片支持DWT/CYCCNT，这应作为首选方案。

2.2 片上定时器计时（工程平衡方案）

当芯片未提供DWT类计数器，或需要与CPU频率解耦的时间基准时，可采用通用定时器或SysTick。

配置要点：

• 设置32位（或16位）定时器为自由运行模式（Auto-reload设为最大值）
• 选择合适分频，使递增频率已知（如1MHz对应1tick=1us）
• 测量时读取定时器计数器值（CNT），计算差值后乘以tick时间

STM32 TIM2配置示例

假设目标计数频率1MHz（精度1µs）：

• APB1定时器时钟：84MHz
• 预分频系数PSC = 84 - 1 = 83
• 自动重装载ARR = 0xFFFFFFFF（32位计数器）

代码实现：

测量过程：

此方案适用于几十微秒至秒级的代码块测量。

2.3 GPIO翻转+示波器（最直观方案）

这种方法虽然简单，但工程实践中非常有效且误差较小。

操作步骤：

• 代码段开始前将指定GPIO置高
• 代码段结束后将GPIO拉低
• 使用示波器或逻辑分析仪测量高电平脉宽即为执行时间

代码示例：

调试阶段建议使用GPIO+示波器组合，确认性能后可通过宏定义关闭相关代码，避免影响最终固件。

2.4 RTOS运行时间统计（系统级分析）

FreeRTOS提供了任务级运行时间统计功能，可查看每个任务的CPU时间占用情况。

启用步骤（简化）：

1. 在FreeRTOSConfig.h中启用统计功能
2. 提供两个钩子函数用于时间基准管理
3. 创建监控任务定期输出统计信息

FreeRTOSConfig.h相关配置：

钩子函数实现：

定时器初始化：

注意：vConfigureTimerForRunTimeStats()由FreeRTOS在调度器启动前自动调用，无需手动触发；ulGetRunTimeCounterValue()在内核任务切换时被调用，用于累计任务运行时间。

创建监控任务周期性输出（示例间隔1s）：

运行时间统计原理：

• FreeRTOS通过钩子函数获取递增计数值
• 每次任务切换时计算时间差并累加到对应任务
• vTaskGetRunTimeStats()将累计值转换为百分比格式

典型输出示例：

Task          Run Time    Percentage
------------------------------------
ctrlTask      350000      35%
commTask      250000      25%
logTask       150000      15%
idle          250000      25%

这种统计能快速识别：

• CPU占用最高的任务
• 任务CPU占比的异常波动（可能指示bug或负载变化）

3. 方案选择指南

从精度、侵入性、实现复杂度和系统级支持四个维度总结：

• 高精度需求（控制、DSP）：DWT+GPIO（调试阶段）
• 通用逻辑性能评估：定时器计数+简单统计
• 系统架构优化：任务调度分析+RTOS运行时间统计

4. 实用测量宏定义

项目中可使用轻量级宏定义方便插桩测量：

#if !defined(NDEBUG) || defined(ENABLE_PROFILING)
    /* Debug模式或手动启用性能分析时激活 */
    #define PROF_INIT()        cycle_counter_init()
    #define PROF_START(var)    uint32_t var = cycle_counter_get()
    #define PROF_END(var, label) \
        do { \
            uint32_t _end = cycle_counter_get(); \
            uint32_t _delta = _end - (var); \
            printf("[PROF] %s: %lu cycles\r\n", (label), (unsigned long)_delta); \
        } while (0)
#else
    #define PROF_INIT()
    #define PROF_START(var)
    #define PROF_END(var, label)  do { (void)(var); (void)(label); } while (0)
#endif

其中cycle_counter_init和cycle_counter_get对应前述各种实现方法。

使用示例：

void control_step(void)
{
    PROF_START(t0);
    update_observer();
    update_pid();
    update_pwm();
    PROF_END(t0, "control_step");
}

调试阶段启用测量，性能确认后可通过宏定义完全禁用，不影响生产代码。

5. 总结

嵌入式环境下的代码执行时间测量比PC环境复杂，简单的printf和毫秒级节拍基本不可靠。

核心方法包括CPU周期计数器、片上定时器、GPIO+示波器和RTOS统计，覆盖从函数级到系统级的多层次时间观测。