獲取單片機代碼運行時間的方法

　　單片機編程者需要知道自己的程序需要花費多長時間、while周期是多少、delay延時是否真如函數功能描述那樣精確延時。很多時候，我們想知道這些參數，但是由於懶惰或者沒有簡單的辦法，將這件事推到“明天”。筆者提出了一種簡便的測試方法，可以解決這些問題。

　　測試代碼的運行時間的思路：

• 使用單片機內部定時器，在待測程序段的開始啟動定時器，在待測程序段的結尾關閉定時器。為了測量的准確性，要進行多次測量，並進行平均取值。
• 借助示波器的方法是：在待測程序段的開始階段使單片機的一個GPIO輸出高電平，在待測程序段的結尾階段再令這個GPIO輸出低電平。用示波器通過檢查高電平的時間長度，就知道了這段代碼的運行時間。顯然，借助於示波器的方法更為簡便。

　　以下內容為這兩種方案的實例，以STM32為測試平台。如果讀者是在另外的硬件平台上測試，實際也不難，思路都是一樣的，自己可以編寫對應的測試代碼。

借助示波器方法的實例

Delay_us函數使用STM32系統滴答定時器實現

#include "systick.h"

/* SystemFrequency / 1000    1ms中斷一次
 * SystemFrequency / 100000     10us中斷一次
 * SystemFrequency / 1000000 1us中斷一次
 */

#define SYSTICKPERIOD                    0.000001
#define SYSTICKFREQUENCY            (1/SYSTICKPERIOD)

/**
  * @brief  讀取SysTick的狀態位COUNTFLAG
  * @param  無
  * @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  配置系統滴答定時器 SysTick
  * @param  無
  * @retval 1 = failed, 0 = successful
  */
uint32_t SysTick_Init(void)
{
       /* 設置定時周期為1us  */
    if (SysTick_Config(SystemCoreClock / SYSTICKFREQUENCY)) 
    { 
        /* Capture error */ 
        return (1);
    }

    /* 關閉滴答定時器且禁止中斷  */
    SysTick->CTRL &= ~ (SysTick_CTRL_ENABLE_Msk | SysTick_CTRL_TICKINT_Msk);                                                  
    return (0);
}

/**
  * @brief   us延時程序,10us為一個單位
  * @param  
  *        @arg nTime: Delay_us( 10 ) 則實現的延時為 10 * 1us = 10us
  * @retval  無
  */
void Delay_us(__IO uint32_t nTime)
{     
    /* 清零計數器並使能滴答定時器 */  
    SysTick->VAL   = 0;  
    SysTick->CTRL |=  SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;     

    for( ; nTime > 0 ; nTime--)
    {
     /* 等待一個延時單位的結束 */
     while(SysTick_GetFlagStatus() != SET);
    }

    /* 關閉滴答定時器 */
    SysTick->CTRL &= ~ SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
}

檢驗Delay_us執行時間中用到的GPIO(gpio.h、gpio.c)的配置

#ifndef __GPIO_H
#define    __GPIO_H

#include "stm32f10x.h"

#define     LOW          0
#define     HIGH         1

/* 帶參宏，可以像內聯函數一樣使用 */
#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  無
  * @retval 無
  */
void GPIO_Config(void)
{        
        /*定義一個GPIO_InitTypeDef類型的結構體*/
        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

        /*開啟LED的外設時鍾*/
        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函數中檢驗Delay_us的執行時間

#include "systick.h"
#include "gpio.h"

/**
  * @brief  主函數
  * @param  無  
  * @retval 無
  */
int main(void)
{    
    GPIO_Config();

    /* 配置SysTick定時周期為1us */
    SysTick_Init();

    for(;;)
    {
        TX(HIGH); 
        Delay_us(1);
        TX(LOW);
        Delay_us(100);
    }     
}

示波器的觀察結果

　　可見Delay_us(100)，執行了大概102us，而Delay_us(1)執行了2.2us。

更改一下main函數的延時參數

int main(void)
{    
    /* LED 端口初始化 */
    GPIO_Config();

    /* 配置SysTick定時周期為1us */
    SysTick_Init();

    for(;;)
    {
        TX(HIGH); 
        Delay_us(10);
        TX(LOW);
        Delay_us(100);
    }     
}

示波器的觀察結果

　　可見Delay_us(100)，執行了大概101us，而Delay_us(10)執行了11.4us。

結論：此延時函數基本上還是可靠的。

使用定時器方法的實例

　　至於使用定時器方法，軟件檢測程序段的執行時間，程序實現思路見STM32之系統滴答定時器。筆者已經將檢查軟件的使用封裝成庫，使用方法在鏈接文章中也有介紹。我們這里只做一下簡要的實踐活動。

Delay_us函數使用STM32定時器2實現

#include "timer.h"

/* SystemFrequency / 1000            1ms中斷一次
 * SystemFrequency / 100000     10us中斷一次
 * SystemFrequency / 1000000         1us中斷一次
 */

#define SYSTICKPERIOD                    0.000001
#define SYSTICKFREQUENCY            (1/SYSTICKPERIOD)

/**
  * @brief  定時器2的初始化,，定時周期1uS
  * @param  無
  * @retval 無
  */
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);
    
    /* 設置更新請求源只在計數器上溢或下溢時產生中斷 */
    TIM_UpdateRequestConfig(TIM2,TIM_UpdateSource_Global); 
    TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);
}

/**
  * @brief   us延時程序,10us為一個單位
  * @param  
  *        @arg nTime: Delay_us( 10 ) 則實現的延時為 10 * 1us = 10us
  * @retval  無
  */
void Delay_us(__IO uint32_t nTime)
{     
    /* 清零計數器並使能滴答定時器 */  
    TIM2->CNT   = 0;  
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);     

    for( ; nTime > 0 ; nTime--)
    {
     /* 等待一個延時單位的結束 */
     while(TIM_GetFlagStatus(TIM2, TIM_FLAG_Update) != SET);
     TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);
    }

    TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);
}

在main函數中檢驗Delay_us的執行時間

#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();
    }     
}

　　怎么去看檢測結果呢？用調試的辦法，打開調試界面后，將Time變量添加到Watch一欄中。然后全速運行程序，既可以看到Time中保存變量的變化情況，其中TimeWidthAvrage就是最終的結果。

　　可以看到TimeWidthAvrage的值等於0x119B8,十進制數對應72120，滴答定時器的一個滴答為1/72M（s），所以Delay_us(1000)的執行時間就是72120*1/72M (s) = 0.001001s，也就是1ms。驗證成功。

備注：定時器方法輸出檢測結果有待改善，你可以把得到的TimeWidthAvrage轉換成時間（以us、ms、s）為單位，然后通過串口打印出來，不過這部分工作對於經常使用調試的人員來說也可有可無。

 

兩種方法對比

軟件測試方法

　　操作起來復雜，由於在原代碼基礎上增加了測試代碼，可能會影響到原代碼的工作，測試可靠性相對較低。由於使用32位的變量保存systick的計數次數，計時的最大長度可以達到2^32/72M = 59.65 s。

示波器方法

　　操作簡單，在原代碼基礎上幾乎沒有增加代碼，測試可靠性很高。由於示波器的顯示能力有限，超過1s以上的程序段，計時效果不是很理想。但是，通常的單片機程序實時性要求很高，一般不會出現程序段時間超過秒級的情況。

　　綜合對比，推薦使用示波器方法。