实用 | 获取单片机代码运行时间的方法
前言
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两种方法：
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。
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：
#include "systick.h"
/* SystemFrequency / 1000 1ms中断一次
* SystemFrequency / 100000 10us中断一次
* SystemFrequency / 1000000 1us中断一次
*/
#define SYSTICKPERIOD 0.000001
#define SYSTICKFREQUENCY (1/SYSTICKPERIOD)
/**
* @brief 读取SysTick的状态位COUNTFLAG
* @param 无
* @retval The new state of USART_FLAG (SET or RESET).
*/
static FlagStatus SysTick_GetFlagStatus(void)
{
if(SysTick->CTRL&SysTick_CTRL_COUNTFLAG_Msk)
{
return SET;
}
else
{
return RESET;
}
}
/**
* @brief 配置系统滴答定时器 SysTick
* @param 无
* @retval 1 = failed, 0 = successful
*/
uint32_t SysTick_Init(void)
{
/* 设置定时周期为1us */
if (SysTick_Config(SystemCoreClock / SYSTICKFREQUENCY))
{
/* Capture error */
return (1);
}
/* 关闭滴答定时器且禁止中断 */
SysTick->CTRL &= ~ (SysTick_CTRL_ENABLE_Msk | SysTick_CTRL_TICKINT_Msk);
return (0);
}
/**
* @brief us延时程序,10us为一个单位
* @param
* @arg nTime: Delay_us( 10 ) 则实现的延时为 10 * 1us = 10us
* @retval 无
*/
void Delay_us(__IO uint32_t nTime)
{
/* 清零计数器并使能滴答定时器 */
SysTick->VAL = 0;
SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
for( ; nTime > 0 ; nTime--)
{
/* 等待一个延时单位的结束 */
while(SysTick_GetFlagStatus() != SET);
}
/* 关闭滴答定时器 */
SysTick->CTRL &= ~ SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
}
检验Delay_us执行时间中用到的GPIO(gpio.h、gpio.c)的配置：
#ifndef __GPIO_H
#define __GPIO_H
#include "stm32f10x.h"
#define LOW 0
#define HIGH 1
/* 带参宏，可以像内联函数一样使用 */
#define TX(a) if (a) \
GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);\
else \
GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0)
void GPIO_Config(void);
#endif
#include "gpio.h"
/**
* @brief 初始化GPIO
* @param 无
* @retval 无
*/
void GPIO_Config(void)
{
/*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
/*开启LED的外设时钟*/
RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}
在main函数中检验Delay_us的执行时间：
#include "systick.h"
#include "gpio.h"
/**
* @brief 主函数
* @param 无
* @retval 无
*/
int main(void)
{
GPIO_Config();
/* 配置SysTick定时周期为1us */
SysTick_Init();
for(;;)
{
TX(HIGH);
Delay_us(1);
TX(LOW);
Delay_us(100);
}
}
示波器的观察结果：
可见Delay_us(100)，执行了大概102us，而Delay_us(1)执行了2.2us。
更改一下main函数的延时参数：
int main(void)
{
/* LED 端口初始化 */
GPIO_Config();
/* 配置SysTick定时周期为1us */
SysTick_Init();
for(;;)
{
TX(HIGH);
Delay_us(10);
TX(LOW);
Delay_us(100);
}
}
示波器的观察结果：
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。
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：
http://www.cnblogs.com/amanlikethis/p/3730205.html
笔者已经将检查软件的使用封装成库，使用方法在链接文章中也有介绍。我们这里只做一下简要的实践活动。
Delay_us函数使用STM32定时器2实现：
#include "timer.h"
/* SystemFrequency / 1000 1ms中断一次
* SystemFrequency / 100000 10us中断一次
* SystemFrequency / 1000000 1us中断一次
*/
#define SYSTICKPERIOD 0.000001
#define SYSTICKFREQUENCY (1/SYSTICKPERIOD)
/**
* @brief 定时器2的初始化,，定时周期1uS
* @param 无
* @retval 无
*/
void TIM2_Init(void)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
/*AHB = 72MHz,RCC_CFGR的PPRE1 = 2，所以APB1 = 36MHz,TIM2CLK = APB1*2 = 72MHz */
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
/* Time base configuration */
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = SystemCoreClock/SYSTICKFREQUENCY -1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
TIM_ARRPreloadConfig(TIM2, ENABLE);
/* 设置更新请求源只在计数器上溢或下溢时产生中断 */
TIM_UpdateRequestConfig(TIM2,TIM_UpdateSource_Global);
TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);
}
/**
* @brief us延时程序,10us为一个单位
* @param
* @arg nTime: Delay_us( 10 ) 则实现的延时为 10 * 1us = 10us
* @retval 无
*/
void Delay_us(__IO uint32_t nTime)
{
/* 清零计数器并使能滴答定时器 */
TIM2->CNT = 0;
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
for( ; nTime > 0 ; nTime--)
{
/* 等待一个延时单位的结束 */
while(TIM_GetFlagStatus(TIM2, TIM_FLAG_Update) != SET);
TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);
}
TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);
}
在main函数中检验Delay_us的执行时间：
#include "stm32f10x.h"
#include "Timer_Drive.h"
#include "gpio.h"
#include "systick.h"
TimingVarTypeDef Time;
int main(void)
{
TIM2_Init();
SysTick_Init();
SysTick_Time_Init(&Time);
for(;;)
{
SysTick_Time_Start();
Delay_us(1000);
SysTick_Time_Stop();
}
}
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。
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。
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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