简析如何获取单片机代码运行时间的方法

前言

单片机编程者需要知道自己的程序需要花费多长时间、while周期是多少、delay延时是否真如函数功能描述那样精确延时。

很多时候，我们想知道这些参数，但是由于懒惰或者没有简单的办法，将这件事推到“明天”。笔者提出了一种简便的测试方法，可以解决这些问题。

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。

综合对比，推荐使用示波器方法。

编辑：jq