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[应用相关] 获取单片机代码运行时间的方法

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 楼主| deadtime 发表于 2019-8-4 17:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
单片机代码, 电平, 定时, 定时器, 示波器
单片机编程者需要知道自己的程序需要花费多长时间、while周期是多少、delay延时是否真如函数功能描述那样精确延时。很多时候，我们想知道这些参数，但是由于懒惰或者没有简单的办法，将这件事推到“明天”。笔者提出了一种简便的测试方法，可以解决这些问题。
　　测试代码的运行时间的思路：
  • 使用单片机内部定时器，在待测程序段的开始启动定时器，在待测程序段的结尾关闭定时器。为了测量的准确性，要进行多次测量，并进行平均取值。
  • 借助示波器的方法是：在待测程序段的开始阶段使单片机的一个GPIO输出高电平，在待测程序段的结尾阶段再令这个GPIO输出低电平。用示波器通过检查高电平的时间长度，就知道了这段代码的运行时间。显然，借助于示波器的方法更为简便。
　　以下内容为这两种方案的实例，以STM32为测试平台。如果读者是在另外的硬件平台上测试，实际也不难，思路都是一样的，自己可以编写对应的测试代码。

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 楼主| deadtime 发表于 2019-8-4 17:45 | 显示全部楼层
借助示波器方法的实例

Delay_us函数使用STM32系统滴答定时器实现

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  1. #include "systick.h"
    


  2. 

  3. /* SystemFrequency / 1000    1ms中断一次
    

  4.  * SystemFrequency / 100000     10us中断一次
    

  5.  * SystemFrequency / 1000000 1us中断一次
    

  6.  */
    


  7. 

  8. #define SYSTICKPERIOD                    0.000001
    

  9. #define SYSTICKFREQUENCY            (1/SYSTICKPERIOD)
    


  10. 

  11. /**
    

  12.   * [url=home.php?mod=space&uid=247401]@brief[/url]  读取SysTick的状态位COUNTFLAG
    

  13.   * @param  无
    

  14.   * @retval The new state of USART_FLAG (SET or RESET).
    

  15.   */
    

  16. static FlagStatus SysTick_GetFlagStatus(void) 
    

  17. {
    

  18.     if(SysTick->CTRL&SysTick_CTRL_COUNTFLAG_Msk) 
    

  19.     {
    

  20.         return SET;
    

  21.     }
    

  22.     else
    

  23.     {
    

  24.         return RESET;
    

  25.     }
    

  26. }
    


  27. 

  28. /**
    

  29.   * @brief  配置系统滴答定时器 SysTick
    

  30.   * @param  无
    

  31.   * @retval 1 = failed, 0 = successful
    

  32.   */
    

  33. uint32_t SysTick_Init(void)
    

  34. {
    

  35.        /* 设置定时周期为1us  */
    

  36.     if (SysTick_Config(SystemCoreClock / SYSTICKFREQUENCY)) 
    

  37.     { 
    

  38.         /* Capture error */ 
    

  39.         return (1);
    

  40.     }
    


  41. 

  42.     /* 关闭滴答定时器且禁止中断  */
    

  43.     SysTick->CTRL &= ~ (SysTick_CTRL_ENABLE_Msk | SysTick_CTRL_TICKINT_Msk);                                                  
    

  44.     return (0);
    

  45. }
    


  46. 

  47. /**
    

  48.   * @brief   us延时程序,10us为一个单位
    

  49.   * @param  
    

  50.   *        [url=home.php?mod=space&uid=2817080]@ARG[/url] nTime: Delay_us( 10 ) 则实现的延时为 10 * 1us = 10us
    

  51.   * @retval  无
    

  52.   */
    

  53. void Delay_us(__IO uint32_t nTime)
    

  54. {     
    

  55.     /* 清零计数器并使能滴答定时器 */  
    

  56.     SysTick->VAL   = 0;  
    

  57.     SysTick->CTRL |=  SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;     
    


  58. 

  59.     for( ; nTime > 0 ; nTime--)
    

  60.     {
    

  61.      /* 等待一个延时单位的结束 */
    

  62.      while(SysTick_GetFlagStatus() != SET);
    

  63.     }
    


  64. 

  65.     /* 关闭滴答定时器 */
    

  66.     SysTick->CTRL &= ~ SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
    

  67. }
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 楼主| deadtime 发表于 2019-8-4 17:45 | 显示全部楼层
检验Delay_us执行时间中用到的GPIO(gpio.h、gpio.c)的配置

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  1. #ifndef __GPIO_H
    

  2. #define    __GPIO_H
    


  3. 

  4. #include "stm32f10x.h"
    


  5. 

  6. #define     LOW          0
    

  7. #define     HIGH         1
    


  8. 

  9. /* 带参宏，可以像内联函数一样使用 */
    

  10. #define TX(a)                if (a)    \
    

  11.                                             GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);\
    

  12.                                         else        \
    

  13.                                             GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0)
    

  14. void GPIO_Config(void);
    


  15. 

  16. #endif
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  1. #include "gpio.h"   
    


  2. 

  3.  /**
    

  4.   * @brief  初始化GPIO
    

  5.   * @param  无
    

  6.   * @retval 无
    

  7.   */
    

  8. void GPIO_Config(void)
    

  9. {        
    

  10.         /*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/
    

  11.         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    


  12. 

  13.         /*开启LED的外设时钟*/
    

  14.         RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); 
    

  15.                                                            
    

  16.         GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;    
    

  17.         GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;     
    

  18.         GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; 
    

  19.         GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);    
    

  20. }

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 楼主| deadtime 发表于 2019-8-4 17:46 | 显示全部楼层
在main函数中检验Delay_us的执行时间
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  1. #include "systick.h"
    

  2. #include "gpio.h"
    


  3. 

  4. /**
    

  5.   * @brief  主函数
    

  6.   * @param  无  
    

  7.   * @retval 无
    

  8.   */
    

  9. int main(void)
    

  10. {    
    

  11.     GPIO_Config();
    


  12. 

  13.     /* 配置SysTick定时周期为1us */
    

  14.     SysTick_Init();
    


  15. 

  16.     for(;;)
    

  17.     {
    

  18.         TX(HIGH); 
    

  19.         Delay_us(1);
    

  20.         TX(LOW);
    

  21.         Delay_us(100);
    

  22.     }     
    

  23. }

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 楼主| deadtime 发表于 2019-8-4 17:46 | 显示全部楼层
示波器的观察结果

639895d46a96e5b082.png

　　可见Delay_us(100)，执行了大概102us，而Delay_us(1)执行了2.2us。
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 楼主| deadtime 发表于 2019-8-4 17:46 | 显示全部楼层
更改一下main函数的延时参数
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  1. int main(void)
    

  2. {    
    

  3.     /* LED 端口初始化 */
    

  4.     GPIO_Config();
    


  5. 

  6.     /* 配置SysTick定时周期为1us */
    

  7.     SysTick_Init();
    


  8. 

  9.     for(;;)
    

  10.     {
    

  11.         TX(HIGH); 
    

  12.         Delay_us(10);
    

  13.         TX(LOW);
    

  14.         Delay_us(100);
    

  15.     }     
    

  16. }

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 楼主| deadtime 发表于 2019-8-4 17:47 | 显示全部楼层
示波器的观察结果

754855d46a9a4e7abd.png

　　可见Delay_us(100)，执行了大概101us，而Delay_us(10)执行了11.4us。

结论：此延时函数基本上还是可靠的。
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 楼主| deadtime 发表于 2019-8-4 17:47 | 显示全部楼层
使用定时器方法的实例

　　至于使用定时器方法，软件检测程序段的执行时间，程序实现思路见STM32之系统滴答定时器。笔者已经将检查软件的使用封装成库，使用方法在链接**中也有介绍。我们这里只做一下简要的实践活动。
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decoding 发表于 2019-8-4 17:49 | 显示全部楼层
Delay_us函数使用STM32定时器2实现

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  1. #include "timer.h"
    


  2. 

  3. /* SystemFrequency / 1000            1ms中断一次
    

  4.  * SystemFrequency / 100000     10us中断一次
    

  5.  * SystemFrequency / 1000000         1us中断一次
    

  6.  */
    


  7. 

  8. #define SYSTICKPERIOD                    0.000001
    

  9. #define SYSTICKFREQUENCY            (1/SYSTICKPERIOD)
    


  10. 

  11. /**
    

  12.   * [url=home.php?mod=space&uid=247401]@brief[/url]  定时器2的初始化,，定时周期1uS
    

  13.   * @param  无
    

  14.   * @retval 无
    

  15.   */
    

  16. void TIM2_Init(void)
    

  17. {
    

  18.     TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    


  19. 

  20.     /*AHB = 72MHz,RCC_CFGR的PPRE1 = 2，所以APB1 = 36MHz,TIM2CLK = APB1*2 = 72MHz */
    

  21.     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    

  22.     
    

  23.     /* Time base configuration */         
    

  24.     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = SystemCoreClock/SYSTICKFREQUENCY -1;
    

  25.     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;
    

  26.     TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    

  27.     TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
    

  28.     
    

  29.     TIM_ARRPreloadConfig(TIM2, ENABLE);
    

  30.     
    

  31.     /* 设置更新请求源只在计数器上溢或下溢时产生中断 */
    

  32.     TIM_UpdateRequestConfig(TIM2,TIM_UpdateSource_Global); 
    

  33.     TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);
    

  34. }
    


  35. 

  36. /**
    

  37.   * @brief   us延时程序,10us为一个单位
    

  38.   * @param  
    

  39.   *        [url=home.php?mod=space&uid=2817080]@ARG[/url] nTime: Delay_us( 10 ) 则实现的延时为 10 * 1us = 10us
    

  40.   * @retval  无
    

  41.   */
    

  42. void Delay_us(__IO uint32_t nTime)
    

  43. {     
    

  44.     /* 清零计数器并使能滴答定时器 */  
    

  45.     TIM2->CNT   = 0;  
    

  46.     TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);     
    


  47. 

  48.     for( ; nTime > 0 ; nTime--)
    

  49.     {
    

  50.      /* 等待一个延时单位的结束 */
    

  51.      while(TIM_GetFlagStatus(TIM2, TIM_FLAG_Update) != SET);
    

  52.      TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);
    

  53.     }
    


  54. 

  55.     TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);
    

  56. }
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decoding 发表于 2019-8-4 17:49 | 显示全部楼层
在main函数中检验Delay_us的执行时间

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  1. #include "stm32f10x.h"
    

  2. #include "Timer_Drive.h"
    

  3. #include "gpio.h"
    

  4. #include "systick.h"
    


  5. 

  6. TimingVarTypeDef Time;
    


  7. 

  8. int main(void)
    

  9. {    
    

  10.     TIM2_Init();    
    

  11.     SysTick_Init();
    

  12.     SysTick_Time_Init(&Time);
    

  13.     
    

  14.     for(;;)
    

  15.     {
    

  16.         SysTick_Time_Start(); 
    

  17.         Delay_us(1000);
    

  18.         SysTick_Time_Stop();
    

  19.     }     
    

  20. }
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decoding 发表于 2019-8-4 17:49 | 显示全部楼层
怎么去看检测结果呢？用调试的办法，打开调试界面后，将Time变量添加到Watch一栏中。然后全速运行程序，既可以看到Time中保存变量的变化情况，其中TimeWidthAvrage就是最终的结果。

598115d46aa3acc96f.png

　　可以看到TimeWidthAvrage的值等于0x119B8,十进制数对应72120，滴答定时器的一个滴答为1/72M（s），所以Delay_us(1000)的执行时间就是72120*1/72M (s) = 0.001001s，也就是1ms。验证成功。

备注：定时器方法输出检测结果有待改善，你可以把得到的TimeWidthAvrage转换成时间（以us、ms、s）为单位，然后通过串口打印出来，不过这部分工作对于经常使用调试的人员来说也可有可无。
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decoding 发表于 2019-8-4 17:50 | 显示全部楼层
两种方法对比

软件测试方法

　　操作起来复杂，由于在原代码基础上增加了测试代码，可能会影响到原代码的工作，测试可靠性相对较低。由于使用32位的变量保存systick的计数次数，计时的最大长度可以达到2^32/72M = 59.65 s。

示波器方法

　　操作简单，在原代码基础上几乎没有增加代码，测试可靠性很高。由于示波器的显示能力有限，超过1s以上的程序段，计时效果不是很理想。但是，通常的单片机程序实时性要求很高，一般不会出现程序段时间超过秒级的情况。

　　综合对比，推荐使用示波器方法。
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嘿嘿嘿· 发表于 2020-5-8 12:20 | 显示全部楼层
很有用  受益了，感谢
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