在ARM Cortex-M上实现FreeRTOS性能计数器

说明：本文翻译自Erich Styger的文章《Implementing FreeRTOS Performance Counters on ARM Cortex-M》，文章的权属属于原作者。

当使用像FreeRTOS这样的RTOS时，迟早要问一个问题：每个任务花费多少时间？基于Eclipse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（或“任务列表”视图）显示非常有用的信息，开发人员必须提供帮助，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。

1、概述

不久前，我从处理器专家的角度讨论了FreeRTOS的性能和运行时分析中的该主题。这次是关于使用“本机” FreeRTOS和使用NXP 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，我正在使用https://github.com/ErichStyger/McuOnEclipseLibrary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。

2、如何工作

操作系统使用计数器来衡量任务执行时间。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，该时间不是绝对的（例如37毫秒），而是一些“滴答声”（例如241个滴答声）。RTOS知道总体上使用了多少“滴答声”。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。

这是一种非常简单但功能强大的估算任务执行时间的方法，通常就是您所需要的。它可以通过一种非常简单的方式来实现：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：

#define configUSE_TRACE_FACILITY 1 /* 1: include additional structure members and functions to assist with execution visualization and tracing, 0: no runtime stats/trace */#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS 1 /* 1: generate runtime statistics; 0: no runtime statistics */

要配置计时器并读取计数器，我必须使用两个宏来告诉函数名称：

#define configGET_RUNTIMER_COUNTER_VALUE_FROM_ISR   AppGetRuntimeCounterValueFromISR#define configCONFIGURE_TIMER_FOR_RUNTIME_STATS     AppConfigureTimerForRuntimeStats

3、使用“滴答”计数器

一种非常简单的衡量任务执行情况的方法是使用FreeRTOS滴答计数器本身。可以通过以下方式启用

#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS_USE_TICKS     (1)

但是，这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2倍（更好：10倍）的测量频率。

4、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。最好的是：无需中断或额外的计时器。可能的实现如下所示：

static uint32_t prevCycleCounter, cycleCntCounter = 0;void AppConfigureTimerForRuntimeStats(void) {cycleCntCounter = 0;McuArmTools_InitCycleCounter();prevCycleCounter = McuArmTools_GetCycleCounter();
}uint32_t AppGetRuntimeCounterValueFromISR(void) {uint32_t newCntr, diff;newCntr = McuArmTools_GetCycleCounter();diff = newCntr-prevCycleCounter;prevCycleCounter = newCntr;cycleCntCounter += diff>>12; /* scale down the counter */return cycleCntCounter;
}

5、使用定期定时器中断

标准方法是使用定期中断计时器，该计时器增加计数器。对于1 kHz滴答计时器，推荐的频率是FreeRTOS滴答计时器频率的10倍，在这种情况下为10 kHz（100 us）：

static uint32_t perfCounter = 0;#define PIT_BASEADDR       PIT
#define PIT_SOURCE_CLOCK   CLOCK_GetFreq(kCLOCK_BusClk)
#define PIT_CHANNEL        kPIT_Chnl_0
#define PIT_HANDLER        PIT0_IRQHandler
#define PIT_IRQ_ID         PIT0_IRQnvoid PIT_HANDLER(void) {PIT_ClearStatusFlags(PIT_BASEADDR, PIT_CHANNEL, kPIT_TimerFlag);perfCounter++;__DSB();
}void AppConfigureTimerForRuntimeStats(void) {pit_config_t config;PIT_GetDefaultConfig(&config);config.enableRunInDebug = false;PIT_Init(PIT_BASEADDR, &config);PIT_SetTimerPeriod(PIT_BASEADDR, PIT_CHANNEL, USEC_TO_COUNT(100U, PIT_SOURCE_CLOCK));PIT_EnableInterrupts(PIT_BASEADDR, PIT_CHANNEL, kPIT_TimerInterruptEnable);NVIC_SetPriority(PIT_IRQ_ID, 0);EnableIRQ(PIT_IRQ_ID);PIT_StartTimer(PIT_BASEADDR, PIT_CHANNEL);
}uint32_t AppGetRuntimeCounterValueFromISR(void) {return perfCounter;
}

6、摘要

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。如果您希望应用程序本身显示性能数据，请查看“ 使用FreeRTOS进行性能和运行时分析”中介绍的Shell / Commandline实现。

7、链接

GitHub上的项目：https : //github.com/ErichStyger/mcuoneclipse/tree/master/Examples/MCUXpresso/tinyK22/tinyK22_FreeRTOS
FreeRTOS的性能和运行时分析
在Eclipse中更好的FreeRTOS调试
ARM SWO性能计数器
GitHub上的McuLib：https : //github.com/ErichStyger/McuOnEclipseLibrary
MCUXpresso IDE和SDK：https ://mcuxpresso.nxp.com