ARM內(nèi)核目標(biāo)系統(tǒng)中的代碼運(yùn)行時(shí)間測(cè)試

摘要 很多測(cè)量時(shí)間的C函數(shù)在ARM中都不能使用。某些能使用的，也是基于系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)，故最短時(shí)間單位只能達(dá)到10-2s。作為一種通用的精密計(jì)時(shí)方法，為了取得更精細(xì)的時(shí)間度量，可以考慮啟用ARM芯片內(nèi)置的WatchDog實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展了的實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，并推廣到程序精確延時(shí)的用途，彌補(bǔ)現(xiàn)有C函數(shù)的不足。本文對(duì)此作出分析，并給出了具體的實(shí)驗(yàn)描述。
關(guān)鍵詞 精確時(shí)間測(cè)量精密計(jì)時(shí) ARM實(shí)時(shí)時(shí)鐘擴(kuò)展 看門(mén)狗

    在ARM系統(tǒng)中．有時(shí)需要精確的時(shí)間測(cè)量。通常，取時(shí)間的C函數(shù)(如gettime()等)不僅通用性差(必須包含頭文件DOS．H，且不支持Unix、Linux和標(biāo)準(zhǔn)C)，明顯不適用于ARM系統(tǒng)；更成問(wèn)題的是，其最短時(shí)間只能到10-2秒級(jí)，不能提供更短的時(shí)間分度。根本原因在于：這類(lèi)函數(shù)是基于系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)的，而RTC通常采用標(biāo)準(zhǔn)化鐘表晶振，頻率只有32．768 kHz而已。
    然而很多應(yīng)用涉及μs級(jí)的時(shí)間計(jì)量，這是標(biāo)準(zhǔn)化了的RTC以及基于它的時(shí)間函數(shù)所無(wú)能為力的。筆者在移植DES算法到ARM系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，便遇到過(guò)要定量評(píng)估加密算法耗時(shí)多少的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)的確不能用上述常規(guī)的C函數(shù)解決。經(jīng)對(duì)ARM芯片結(jié)構(gòu)的考察，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)置的WatchDog系統(tǒng)是以系統(tǒng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的，定量性能應(yīng)該很好，區(qū)分時(shí)間間隔的精細(xì)程度也應(yīng)該足夠。于是根據(jù)所用ARM芯片的原廠家數(shù)據(jù)手冊(cè)中的說(shuō)明，借用WatchDog編寫(xiě)了自己的計(jì)時(shí)函數(shù)，使用起來(lái)也比較方便。考慮到ARM芯片都帶有內(nèi)置看門(mén)狗，筆者覺(jué)得這種方法可算是一個(gè)不錯(cuò)的“過(guò)渡性”解決方案，故在此加以介紹，供同行們參考并指正。

1 測(cè)量原理
    ARM芯片中的看門(mén)狗，其原始功能是監(jiān)視CPU核心運(yùn)行的某些超時(shí)。這些超時(shí)的發(fā)生，通常是因?yàn)楦蓴_和系統(tǒng)錯(cuò)誤等造成的程序運(yùn)行混亂。一旦發(fā)生這類(lèi)情形，看門(mén)狗便請(qǐng)求中斷服務(wù)或發(fā)出復(fù)位脈沖重啟系統(tǒng)。為了達(dá)到這樣的目的，其計(jì)時(shí)原理必須獨(dú)立于系統(tǒng)中的任何進(jìn)程。實(shí)際上，WatchDog是獨(dú)立的硬件邏輯，其計(jì)時(shí)脈沖直接取自系統(tǒng)主時(shí)鐘，因此它與RTC一樣具備實(shí)時(shí)性和獨(dú)立性，借用看門(mén)狗的計(jì)時(shí)體系來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間測(cè)量是合理的。
    先以實(shí)驗(yàn)中用到的S3C4480X為例(該實(shí)驗(yàn)所用的ARM開(kāi)發(fā)板型號(hào)為NETARM300)，具體談?wù)効撮T(mén)狗的工作原理。其原理框圖如圖1所示，圖中MCLK即系統(tǒng)主時(shí)鐘。

    從圖中可以看出，系統(tǒng)主時(shí)鐘MCLK經(jīng)過(guò)可編程預(yù)分頻、可選固定分頻后，進(jìn)入WTCNT(硬件系統(tǒng)的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器，16位)計(jì)數(shù)。根據(jù)器件手冊(cè)，計(jì)數(shù)時(shí)間間隔t_watchdog=l／(MCLK／(Prescaler value+1)／Division_factor)。式中，參數(shù)Prescakr value的取值為O～28-l；Division_factor有16、32、64、128四種取值。如果復(fù)位信號(hào)輸出允許(即WTCON的位0置1)，那么一旦計(jì)數(shù)器WTCNT的計(jì)數(shù)超過(guò)WTDAT允許的范圍，看門(mén)狗就會(huì)將CPU復(fù)位。本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中屏蔽掉了這種復(fù)位和中斷請(qǐng)求功能，僅讓它對(duì)脈沖計(jì)數(shù)。
    控制寄存器WTCON的有關(guān)各位定義圖中已給出(如需詳細(xì)解釋可查閱器件手冊(cè)，如參考文獻(xiàn)[3])，其他全為保留位，可全置為O。
    至于MCLK具體值的計(jì)算，可以查驗(yàn)系統(tǒng)中的晶振參數(shù)(頻率)，讀取系統(tǒng)時(shí)鐘的PLL寄存器(如S3C44BOX的PLLCON)后算得。計(jì)算的方法都已在具體ARM芯片手冊(cè)中給出。

2 測(cè)量算法實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    按照所需參數(shù)設(shè)置的看門(mén)狗定時(shí)器控制寄存器WT-CON的值(如前所述)，在待測(cè)代碼段執(zhí)行之前開(kāi)啟看門(mén)狗定時(shí)器；等其執(zhí)行完畢則關(guān)閉看門(mén)狗定時(shí)器，讀取WTCNT的值即可算得運(yùn)行時(shí)間。作為一個(gè)具體示例，筆者實(shí)驗(yàn)中所實(shí)現(xiàn)的算法如下：
(1)計(jì)時(shí)算法

(2)應(yīng)用

 

    需要指出：在改變WTCON的值之前應(yīng)將原有值保存，待測(cè)量完成后再?gòu)?fù)原WTCON。之所以強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)，是因?yàn)橄到y(tǒng)別處很可能在使用看門(mén)狗功能。
    實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，對(duì)長(zhǎng)度為189字節(jié)的字符串采用3次DES加密。密鑰長(zhǎng)度為15位，測(cè)得的加密時(shí)間為28832μs，解密時(shí)間為28 896μs?？s短字符串長(zhǎng)度，測(cè)得的加密時(shí)間基本呈線(xiàn)性變化：字符串長(zhǎng)度為107字節(jié)而其他地方不變時(shí)，加密耗時(shí)16 928μs，解密耗時(shí)16 948μs；字符串長(zhǎng)度為41字節(jié)而其他地方不變時(shí)，加密耗時(shí)7 424μs，解密耗時(shí)7 424μs。對(duì)于相同長(zhǎng)度的字符串，密鑰長(zhǎng)度的改變對(duì)加密／解密時(shí)間的影響不是很大。
    值得一提的是，剛開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)，被加密字符串分別取為190字節(jié)和75字節(jié)，測(cè)得耗時(shí)分別是34 032μs和16 928μs，顯然與倍增的關(guān)系相差很遠(yuǎn)。分析程序后發(fā)現(xiàn)，原來(lái)問(wèn)題出在加密算法中間的打印語(yǔ)句“Uan_Printf(“＼ncounting begin...!!!”)”上。原來(lái)以為它耗時(shí)很少，故沒(méi)有將它從加密算法中移走；移走后再試，耗時(shí)大減，分別為29 600 μs和12 496μs，與字符數(shù)倍增、時(shí)間倍增的預(yù)期基本相符。上面的實(shí)驗(yàn)，還使筆者得知該打印語(yǔ)句占用了4432μs。稍微修改條件，繼續(xù)實(shí)驗(yàn)：當(dāng)上述打印語(yǔ)句的字節(jié)數(shù)擴(kuò)充為原來(lái)的4倍時(shí)，測(cè)得該語(yǔ)句耗時(shí)17728μs。可見(jiàn)，耗時(shí)與打印內(nèi)容的字節(jié)數(shù)基本上成正比；另外，這種打印語(yǔ)句與加密／解密算法本身相比，并不是想當(dāng)然地只占用一點(diǎn)點(diǎn)時(shí)間。(上述數(shù)據(jù)與PC機(jī)串口通信波特率的設(shè)置無(wú)明顯關(guān)系。實(shí)際測(cè)試結(jié)果為：波特率由115 200bps下降到57 600 bps，沒(méi)有可以察覺(jué)到的差別。)

3 測(cè)量方法討論
    ARM內(nèi)置看門(mén)狗用作時(shí)間度量的適用范圍，大體以μs數(shù)量級(jí)為界。比如，從S3C44BOX的器件特性說(shuō)明中可知，MCLK在看門(mén)狗計(jì)時(shí)器里的分頻比至少是1／16。典型情況下，MCLK=60MHz，則看門(mén)狗能夠分辨的最短時(shí)間單元t=l/(60 MHz／16)=0．27μs。統(tǒng)計(jì)誤差約為t／2，即O．1μs數(shù)量級(jí)。就μs級(jí)的時(shí)間測(cè)量精度而言，相對(duì)誤差有可能達(dá)到1％～10％；不過(guò)，這對(duì)很多速度估算的場(chǎng)合來(lái)說(shuō)還是可以接受的。如果被測(cè)時(shí)間在10μs以上，那就沒(méi)有任何問(wèn)題，可以認(rèn)為是相當(dāng)精確的了。
    這種思路還可用來(lái)實(shí)現(xiàn)精確延時(shí)，因?yàn)樗亩〞r(shí)不依賴(lài)于指令執(zhí)行時(shí)間(指令執(zhí)行要受到系統(tǒng)調(diào)度等的影響，因而有很多不確定因素)，而取決于對(duì)主時(shí)鐘的硬件分頻計(jì)數(shù)。
    由此實(shí)驗(yàn)推廣，ARM內(nèi)置看門(mén)狗可以作為此類(lèi)系統(tǒng)中的第二時(shí)鐘存在。對(duì)于那些時(shí)間要求精確到μs、RTC的精度無(wú)法滿(mǎn)足的應(yīng)用，這種處理都不失為一種準(zhǔn)確、高效的方法。