获取单片机代码运行时间的方法

　　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。

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。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_Drive.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7的初始化,，定时周期20mS
  * @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。

时间： 2024-10-08 09:56:58

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