怎样测量单片机程序的运行时间

测试代码的运行时间的两种方法

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。

以下内容为这两种方案的实例，以STM32为测试平台。如果读者是在另外的硬件平台上测试，实际也不难，思路都是一样的，自己可以编写对应的测试代码。

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：

http://www.cnblogs.com/amanlikethis/p/3730205.html

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.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2的初始化,，定时周期1uS
  * @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。

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