perf_counter在測(cè)量系統(tǒng)的性能中有何作用？

不知不覺中，perf_counter已經(jīng)經(jīng)歷了大大小小7個(gè)版本：

提高了delay_us()的精度

增加了對(duì)GCC、IAR的支持

改進(jìn)了__cycleof__()宏，使其支持嵌套、并不再強(qiáng)制綁定 printf()

如果你使用的是Arm Compiler5（armcc）或是Arm Compiler 6（armclang），移植就特別簡(jiǎn)單。你可以按照這篇文章的手把手教程在5分鐘內(nèi)完成部署。

對(duì)于GCC和IAR來說，由于它們都不支持 Arm Compiler5/6 所特有的Linker語法——$Sub$$和$Super$$，因此無法直接通過 Lib 的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)已有SysTick應(yīng)用的 “寄居”——這里就只能忍痛割愛了。 這并不影響我們以源代碼的形式將它們加入已有的 GCC 或是 IAR 工程。大體步驟如下： 第一步：將perf_counter.c和perf_counter.h拷貝到你的工程目錄下，并將perf_counter.c 加入到編譯列表中； 第二步：將perf_counter.h所在的路徑加入到編譯器的頭文件搜索路徑中；

第三步：perf_counter.c依賴CMSIS5.4.0及其以上版本，確保你的工程中正確的包含了對(duì)CMSIS的支持。（這里就不再贅述）。

第四步：在需要用到perf_counter功能的C源文件中加入對(duì)頭文件的包含：

#include "perf_counter.h"

第五步：一般來說，用戶會(huì)在某一個(gè)地方，比如main()函數(shù)內(nèi)完成對(duì)CPU工作頻率的配置，我們應(yīng)該在完成這一工作之后確保全局變量SystemCoreClock被正確的更新——保存當(dāng)前CPU的工作頻率，比如：

externuint32_tSystemCoreClock;voidmain(void){system_clock_update();//!更新CPU工作頻率SystemCoreClock=72000000ul//!假設(shè)更新后的系統(tǒng)頻率是 72MHz...}

一般來說，你的芯片工程如果本身都是基于較新的CMSIS框架而創(chuàng)建的，你的啟動(dòng)文件中已經(jīng)為你定義好了全局變量SystemCoreClock——當(dāng)然，凡事都有例外，如果你在編譯的時(shí)候報(bào)告找不到變量SystemCoreClock或者說“Undefined symbol __SystemCoreClock” 之類的，你自己定義一下就好了，比如：

uint32_tSystemCoreClock;voidmain(void){system_clock_update();//!更新CPU工作頻率SystemCoreClock=72000000ul//!假設(shè)更新后的系統(tǒng)頻率是 72MHz...}

在這以后，我們需要對(duì)perf_counter庫進(jìn)行初始化。這里分兩種情況：

1、用戶自己的應(yīng)用里完全沒有使用SysTick。對(duì)于這種情況，我們要在 main.c （或者別的什么源文件里）添加一個(gè)SysTick中斷處理程序：

#include "perf_counter.h"... __attribute__((used))//!

然后我們?cè)趍ain()函數(shù)里初始化perf_counter服務(wù)：

#include... voidmain(void){system_clock_update(); //!更新CPU工作頻率SystemCoreClock=72000000ul//!假設(shè)更新后的系統(tǒng)頻率是 72MHzinit_cycle_counter(false);...}

需要特別注意的是：由于用戶并沒有自己初始化SysTick，因此我們需要將這一情況告知perf_counter庫——由它來完成對(duì)SysTick的初始化——這里傳遞false給函數(shù)init_cycle_counter()就是這個(gè)功能。如果由perf_counter 庫自己來初始化SysTick，它會(huì)為了自己功能更可靠將 SysTick的溢出值（LOAD寄存器）設(shè)置為最大值（0x00FFFFFF）。

2、用戶自己的應(yīng)用里使用了SysTick，擁有自己的初始化過程。對(duì)于這種情況，我們需要確保一件事情：即，SysTick的CTRL寄存器的 BIT2（SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk）是否被置位了——如果其值是1，說明SysTick使用了跟CPU一樣的工作頻率，那么SysTick的測(cè)量結(jié)果就是CPU的周期數(shù)；如果其值是0，說明SysTick使用了來自于別處的時(shí)鐘源，這個(gè)時(shí)鐘源具體頻率是多少就只能看芯片手冊(cè)了（比如STM32就喜歡將系統(tǒng)頻率做 1/8 分頻后提供給SysTick作為時(shí)鐘源），此時(shí)SysTick測(cè)量出來的結(jié)果就不是CPU的周期數(shù)。

在確保了CTRL寄存器的BIT2被正確置位，并且SysTick中斷被使能（置位BIT1，SysTick_CTRL_TICKINT_Msk）后，我們可以簡(jiǎn)單的通過init_cycle_counter()函數(shù)告訴perf_counter模塊：SysTick被用戶占用了——這里傳遞 true 就實(shí)現(xiàn)這一功能。

#include ... void main(void){ system_clock_update(); //! 更新CPU工作頻率 SystemCoreClock = 72000000ul //! 假設(shè)更新后的系統(tǒng)頻率是 72MHz init_cycle_counter(true); ...}

當(dāng)然，不要忘記向已經(jīng)存在的SysTick_Handler()內(nèi)加入perf_counter()的插入函數(shù)：

#include "perf_counter.h"... __attribute__((used))//!

至此，我們就完成了perf_counter模塊在GCC和IAR中的部署。

如何測(cè)量代碼片斷占用了多少CPU資源？

很多時(shí)候，我們會(huì)關(guān)心某一段代碼或者函數(shù)究竟用了多少CPU周期，比如，我們寫了一個(gè)算法，你很擔(dān)心“這個(gè)算法究竟使用了多少CPU資源”，為了解決這個(gè)問題，我們需要用到如下的公式： CPU資源占用（百分比） = （函數(shù)運(yùn)行所需的時(shí)間）（算法運(yùn)行間隔的最小值） 100% 對(duì)于【函數(shù)運(yùn)行所需的時(shí)間】和【算法運(yùn)行間隔的最小值】來說，雖然它們都是時(shí)間單位，但考慮到CPU的頻率是給定的（不變的），因此，這里的時(shí)間單位在乘以CPU的工作頻率后都可以被換算為CPU的周期數(shù)。舉例來說，假如【算法運(yùn)行間隔的最小值】是 20ms、CPU的頻率是72MHz，那么對(duì)應(yīng)的周期數(shù)就是 72000000* (20ms / 1000ms) = 1440000 個(gè)周期。看來上述公式中唯一需要我們實(shí)際測(cè)量的就是【函數(shù)運(yùn)行所需的周期數(shù)】了。

perf_counter提供了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的運(yùn)算符：__cycleof__()。假設(shè)我們要測(cè)量的代碼片斷如下：

...my_algorithm_step_a();my_algorithm_step_b();...my_algorithm_step_c();...則我們可以輕松的通過__cycleof__()運(yùn)算來測(cè)量結(jié)果：

...__cycleof__("myalgorithm"){ my_algorithm_step_a(); my_algorithm_step_b(); ... my_algorithm_step_c();}...如果你的系統(tǒng)支持printf()，則可以看到類似如下的輸出結(jié)果：

帶入上述公式：525139 /14400000 * 100% ≈36.5% 就計(jì)算出這個(gè)算法占用了大約36.5%的CPU資源，值得說明的是，從原理上看，這一方式對(duì)裸機(jī)和RTOS同樣有效哦。

有的小伙伴很快會(huì)說，我的系統(tǒng)并不允許我調(diào)用printf，那我還可以使用__cycleof__()么？當(dāng)然了！就繼續(xù)以上述代碼為例子：

int32_tnCycleUsed=0; ...__cycleof__("my algorithm", { nCycleUsed = _; }) { my_algorithm_step_a(); my_algorithm_step_b(); ... my_algorithm_step_c();}...這里的代碼所實(shí)現(xiàn)的功能是：

測(cè)量了用戶函數(shù)my_algorithm_step_xxx()所使用的周期數(shù)：

測(cè)量的結(jié)果被轉(zhuǎn)存到了一個(gè)叫做nCycleUsed的變量中；

__cycleof__()將不會(huì)調(diào)用printf()進(jìn)行任何內(nèi)容輸出。

我相信很多小伙伴會(huì)揉了揉眼睛、仔細(xì)看了又看，然后回過頭來滿頭問號(hào)：

這是C語言？ 這是什么語法？ 不要懷疑，這就是C語言，只不過使用了一點(diǎn)GCC的語法擴(kuò)展（感興趣的小伙伴可以復(fù)制這里的連接https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Statement-Exprs.html#Statement-Exprs），考慮到本文只介紹perf_counter如何使用，而對(duì)其如何實(shí)現(xiàn)的并不關(guān)心，我們不妨略過GCC擴(kuò)展語法的部分，專門來看看上述代碼的使用細(xì)節(jié)：

首先，為了方便大家觀察，我們先忽略圓括號(hào)內(nèi)的部分：

...__cycleof__(...){ my_algorithm_step_a(); my_algorithm_step_b(); ... my_algorithm_step_c();}...可以發(fā)現(xiàn)，這里跟此前并沒有什么不同：花括號(hào)包圍的部分就是我們要測(cè)量的代碼片斷；

接下來，我們專門來看__cycleof__()圓括號(hào)中的部分：

int32_tnCycleUsed=0; ...__cycleof__("my algorithm", { nCycleUsed = _;}){...}...容易發(fā)現(xiàn)，如果以“,” 為分隔符，那么實(shí)際傳遞給__cycleof__()的是兩個(gè)部分： 1、標(biāo)注測(cè)量名稱的字符串

"my algorithm"2、一段用花括號(hào)括起來的代碼片斷：

{nCycleUsed = _;}其中，nCycleUsed是一個(gè)事先已經(jīng)初始化好的變量。 這里，對(duì)于表示測(cè)量名稱的字符串"my algorithm"，在這一用法下在最終的編譯結(jié)果里并不會(huì)占用任何RAM或者是ROM，但作為語法結(jié)構(gòu)是必須的。 對(duì)于花括號(hào)所囊括的代碼片段來說，實(shí)際上在這個(gè)花括號(hào)里，你幾乎可以為所欲為：

你可以寫任意數(shù)量的代碼

你可以調(diào)用函數(shù)

你可以定義變量（當(dāng)然這里定義變量肯定就是局部變量了）

但我們一般要做的事情其實(shí)是通過__cycleof__()所定義的一個(gè)局部變量"_"來獲取測(cè)量結(jié)果——這也是下面代碼的本意：

nCycleUsed = _;需要說明的是，這個(gè)局部變量"_"生命周期僅限于這個(gè)花括號(hào)中，因此不會(huì)影響 __cycleof__() 整個(gè)結(jié)構(gòu)之外的部分——或者說，下述代碼是沒有意義的：

int32_t nCycleUsed = 0; ...__cycleof__("my algorithm", { nCycleUsed = _; }) { my_algorithm_step_a(); my_algorithm_step_b(); ... my_algorithm_step_c();} printf("Cycle Used %d", _);編譯器會(huì)毫不客氣的告訴你 "_" 是一個(gè)未定義的變量，反之如果你這么做：

int32_t nCycleUsed = 0; ...__cycleof__("my algorithm", { nCycleUsed = _; printf("Cycle Used %d", _); }) { my_algorithm_step_a(); my_algorithm_step_b(); ... my_algorithm_step_c();}

則會(huì)看到你心怡的輸出結(jié)果：

沒有什么黑魔法

如果你對(duì)上述例子的等效形式（展開形式）感到非常好奇，其實(shí)大可不必，上述代碼在“邏輯上等效”于如下的形式：

int32_t nCycleUsed = 0; ...do {int64_t_=get_system_ticks(); { my_algorithm_step_a(); my_algorithm_step_b(); ... my_algorithm_step_c(); } _ = get_system_ticks() - _; //!我們添加的代碼 nCycleUsed = _; printf("Cycle Used %d", _);}while(0);是不是突然就沒有那么神秘了？通過“邏輯等效”的形式展開，我們很容易發(fā)現(xiàn)一些有趣的內(nèi)容：

起核心作用的是一個(gè)叫做get_system_ticks()的函數(shù)。實(shí)際上它返回的是從復(fù)位后 SysTick被使能至今所經(jīng)歷的 CPU 周期數(shù)——由于它是int64_t 的類型，因此不用擔(dān)心超過 SysTick 24位計(jì)數(shù)器的量程，也不用擔(dān)心人類歷史范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生溢出的可能。知道這一點(diǎn)后，聰明的小伙伴就可以自己整活兒了。

由于 "_"是一個(gè)局部變量，因此可以判斷__cycleof__() 是支持嵌套的。

需要特別說明的是，get_system_tick()函數(shù)自己也是有CPU時(shí)鐘開銷的，所以如果要獲得較為精確的結(jié)果，推薦通過下面的方法來獲取校準(zhǔn)值：

staticint64_ts_lPerfCalib; voidcalib_perf_counter(void){ int64_t lTemp = get_system_tick(); s_lPerfCalib = get_system_tick() - lTemp;} int64_tget_perf_counter_calib(void){return s_lPerfCalib;}具體如何使用，這里就不再贅述了。 說在后面的話。

perf_counter仍然在不停的演化中，這多虧了開源社區(qū)不斷的使用和反饋。perf_counter的應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)際上非常廣泛，包括但不限于：

為裸機(jī)或者RTOS提供Cycle級(jí)別的性能測(cè)量；

評(píng)估代碼片段的CPU占用；

算法精細(xì)優(yōu)化時(shí)用于測(cè)量和觀察優(yōu)化的效果；

測(cè)量中斷的響應(yīng)時(shí)間；

測(cè)量中斷的發(fā)生間隔（查找最短時(shí)間間隔）；

評(píng)估GUI的幀率或者刷新率；

與SystemCoreClock計(jì)算后，獲得一個(gè)系統(tǒng)時(shí)間戳（Timestamp）；

當(dāng)做Realtime Clock的基準(zhǔn)；

作為隨機(jī)數(shù)種子

……

實(shí)際上perf_counter在我參與的另外一個(gè)開源項(xiàng)目arm-2d里也被悄悄的藏在了platform_utilities.lib中用來為例子代碼提供幀率的測(cè)量服務(wù)。

責(zé)任編輯：lq6