在ARM Cortex-M平台上实现FreeRTOS性能监视器

NXP管管

在ARM Cortex-M平台上实现FreeRTOS性能监视器

当我们使用类似FreeRTOS的实时操作系统RTOS时，总会要出现一个疑问：每个任务需要运行多长时间？基于Eclipse开发环境的MCUXpresso IDE具有很好的视图，准确显示了此类信息：

FreeRTOS运行时信息

为了使FreeRTOS显示非常有用的信息，开发人员必须提供一些帮助，以便RTOS可以收集此信息。本文说明如何在ARM Cortex-M上完成此操作。


前提概要


前一段时间，我从 Processor Expert的角度讨论了FreeRTOS的性能和运行时分析。本篇文章是关于使用“本地” FreeRTOS和恩智浦MCUXpresso SDK，但是相同的原理将适用于Cortex-M处理器和微控制器的所有其他环境。至于FreeRTOS端口，我使用的是点击中的端口，因为该端口已经存在所有需要的钩子。GitHub上提供了本文中使用的所有文件和源代码。




运行原理


操作系统使用计数器来计算任务执行时间。因此，在任务上下文切换时间，此计数器用于确定该任务使用的时间。重要的一点是，这段时间不是绝对的（例如37毫秒），而是一些“滴答”（例如241个滴答）。 RTOS知道总体上使用了多少“滴答”。 RTOS知道系统中有多少个任务，因此它可以显示每个任务花费了总时间的百分比。另一个要注意的是，时间包括在中断中花费的时间。

这是估计任务执行时间的非常简单但仍然有效的方法，通常就是您所需要的。它可以以非常简单的方式实现：使用一个使计数器递增的计时器和一个用于读取计数器值的函数。

要打开性能测量，我必须启用两个FreeRTOS配置设置：

1. <font size="3" face="微软雅黑">#define configUSE_TRACE_FACILITY 1 /* 1: include additional structure members and functions to assist with execution visualization and tracing, 0: no runtime stats/trace */
   
2. #define configGENERATE_RUN_TIME_STATS 1 /* 1: generate runtime stati</font>

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要配置计时器以及读取计数器，需要使用两个宏来实现函数名称：

1. <font size="3" face="微软雅黑">#define configGET_RUNTIMER_COUNTER_VALUE_FROM_ISR   AppGetRuntimeCounterValueFromISR
   
2. #define configCONFIGURE_TIMER_FOR_RUNTIME_STATS     AppConfigureTimerForRuntimeStats</font>

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使用Tick Counter计数器


计算任务执行时间的一种非常简单的方法是使用FreeRTOS自带的滴答计数器。可以使用以下代码启用

1. <font size="3" face="微软雅黑">#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS_USE_TICKS     (1)</font>

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但是，这种方式仅在任务执行时间超过RTOS滴答周期时才能测量任务执行时间。对于更快的任务，此方法没有用。根据Nyquist-Shannon采样定理，我最好使用更快的2倍（更好：更快10倍）的测量频率。

使用Cortex-M周期计数器


实现该计数器的另一种方法是使用Cortex-M周期计数器，该计数器已在许多设备上实现，并给出了很好的结果。好处是：无需中断或额外的计时器。


以下是实现的一种方法：

1. <font size="3" face="微软雅黑">static uint32_t prevCycleCounter, cycleCntCounter = 0;
   
2. 
   
3. void AppConfigureTimerForRuntimeStats(void) {
   
4.   cycleCntCounter = 0;
   
5.   McuArmTools_InitCycleCounter();
   
6.   prevCycleCounter = McuArmTools_GetCycleCounter();
   
7. }
   
8. 
   
9. uint32_t AppGetRuntimeCounterValueFromISR(void) {
   
10.   uint32_t newCntr, diff;
    
11. 
    
12.   newCntr = McuArmTools_GetCycleCounter();
    
13.   diff = newCntr-prevCycleCounter;
    
14.   prevCycleCounter = newCntr;
    
15.   cycleCntCounter += diff>>12; /* scale down the counter */
    
16.   return cycleCntCounter;
    
17. }</font>

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使用定期定时器中断


标准方法是使用定期中断计时器（Periodic Timer Interrupt），该计时器使计数器递增。对于1 kHz滴答计时器，建议的频率是FreeRTOS滴答计时器频率的10倍，本文中是10 kHz（100 us）：

1. <font size="3" face="微软雅黑">static uint32_t perfCounter = 0;
   
2. 
   
3. #define PIT_BASEADDR       PIT
   
4. #define PIT_SOURCE_CLOCK   CLOCK_GetFreq(kCLOCK_BusClk)
   
5. #define PIT_CHANNEL        kPIT_Chnl_0
   
6. #define PIT_HANDLER        PIT0_IRQHandler
   
7. #define PIT_IRQ_ID         PIT0_IRQn
   
8. 
   
9. void PIT_HANDLER(void) {
   
10.   PIT_ClearStatusFlags(PIT_BASEADDR, PIT_CHANNEL, kPIT_TimerFlag);
    
11.   perfCounter++;
    
12.   __DSB();
    
13. }
    
14. 
    
15. void AppConfigureTimerForRuntimeStats(void) {
    
16.   pit_config_t config;
    
17. 
    
18.   PIT_GetDefaultConfig(&config);
    
19.   config.enableRunInDebug = false;
    
20.   PIT_Init(PIT_BASEADDR, &config);
    
21.   PIT_SetTimerPeriod(PIT_BASEADDR, PIT_CHANNEL, USEC_TO_COUNT(100U, PIT_SOURCE_CLOCK));
    
22.   PIT_EnableInterrupts(PIT_BASEADDR, PIT_CHANNEL, kPIT_TimerInterruptEnable);
    
23.   NVIC_SetPriority(PIT_IRQ_ID, 0);
    
24.   EnableIRQ(PIT_IRQ_ID);
    
25.   PIT_StartTimer(PIT_BASEADDR, PIT_CHANNEL);
    
26. }
    
27. 
    
28. uint32_t AppGetRuntimeCounterValueFromISR(void) {
    
29.   return perfCounter;
    
30. }</font>

复制代码

总结
FreeRTOS包含一项功能，可以测量相对于系统中其他任务的任务执行时间。 我需要提供的是计时器或某种计数器的初始化例程，以及获取计数器值的方法。 如果您对检查FreeRTOS计时的其他方式感兴趣，请查看Percepio Tracealyzer或Segger SystemView。1






作者：阿哲             文章出处：点击

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