ARM内核目标系统中的代码运行时间测试

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摘要 很多测量时间的C函数在ARM中都不能使用。某些能使用的，也是基于系统实时时钟(RTC)，故最短时间单位只能达到10-2s。作为一种通用的精密计时方法，为了取得更精细的时间度量，可以考虑启用ARM芯片内置的WatchDog实现扩展了的实时时钟功能，并推广到程序精确延时的用途，弥补现有C函数的不足。本文对此作出分析，并给出了具体的实验描述。
关键词 精确时间测量精密计时 ARM实时时钟扩展 看门狗

    在ARM系统中．有时需要精确的时间测量。通常，取时间的C函数(如gettime()等)不仅通用性差(必须包含头文件DOS．H，且不支持Unix、Linux和标准C)，明显不适用于ARM系统；更成问题的是，其最短时间只能到10-2秒级，不能提供更短的时间分度。根本原因在于：这类函数是基于系统实时时钟(RTC)的，而RTC通常采用标准化钟表晶振，频率只有32．768 kHz而已。
    然而很多应用涉及μs级的时间计量，这是标准化了的RTC以及基于它的时间函数所无能为力的。笔者在移植DES算法到ARM系统的实验过程中，便遇到过要定量评估加密算法耗时多少的问题，发现的确不能用上述常规的C函数解决。经对ARM芯片结构的考察，发现其内置的WatchDog系统是以系统时钟驱动的，定量性能应该很好，区分时间间隔的精细程度也应该足够。于是根据所用ARM芯片的原厂家数据手册中的说明，借用WatchDog编写了自己的计时函数，使用起来也比较方便。考虑到ARM芯片都带有内置看门狗，笔者觉得这种方法可算是一个不错的“过渡性”解决方案，故在此加以介绍，供同行们参考并指正。

1 测量原理
    ARM芯片中的看门狗，其原始功能是监视CPU核心运行的某些超时。这些超时的发生，通常是因为干扰和系统错误等造成的程序运行混乱。一旦发生这类情形，看门狗便请求中断服务或发出复位脉冲重启系统。为了达到这样的目的，其计时原理必须独立于系统中的任何进程。实际上，WatchDog是独立的硬件逻辑，其计时脉冲直接取自系统主时钟，因此它与RTC一样具备实时性和独立性，借用看门狗的计时体系来实现高精度时间测量是合理的。
    先以实验中用到的S3C4480X为例(该实验所用的ARM开发板型号为NETARM300)，具体谈谈看门狗的工作原理。其原理框图如图1所示，图中MCLK即系统主时钟。



    从图中可以看出，系统主时钟MCLK经过可编程预分频、可选固定分频后，进入WTCNT(硬件系统的计时计数器，16位)计数。根据器件手册，计数时间间隔t_watchdog=l／(MCLK／(Prescaler value+1)／Division_factor)。式中，参数Prescakr value的取值为O～28-l；Division_factor有16、32、64、128四种取值。如果复位信号输出允许(即WTCON的位0置1)，那么一旦计数器WTCNT的计数超过WTDAT允许的范围，看门狗就会将CPU复位。本实验过程中屏蔽掉了这种复位和中断请求功能，仅让它对脉冲计数。
    控制寄存器WTCON的有关各位定义图中已给出(如需详细解释可查阅器件手册，如参考文献[3])，其他全为保留位，可全置为O。
    至于MCLK具体值的计算，可以查验系统中的晶振参数(频率)，读取系统时钟的PLL寄存器(如S3C44bOX的PLLCON)后算得。计算的方法都已在具体ARM芯片手册中给出。

2 测量算法实现和实验结果
    按照所需参数设置的看门狗定时器控制寄存器WT-CON的值(如前所述)，在待测代码段执行之前开启看门狗定时器；等其执行完毕则关闭看门狗定时器，读取WTCNT的值即可算得运行时间。作为一个具体示例，笔者实验中所实现的算法如下：
(1)计时算法



(2)应用



    需要指出：在改变WTCON的值之前应将原有值保存，待测量完成后再复原WTCON。之所以强调这一点，是因为系统别处很可能在使用看门狗功能。
    实验当中，对长度为189字节的字符串采用3次DES加密。密钥长度为15位，测得的加密时间为28832μs，解密时间为28 896μs。缩短字符串长度，测得的加密时间基本呈线性变化：字符串长度为107字节而其他地方不变时，加密耗时16 928μs，解密耗时16 948μs；字符串长度为41字节而其他地方不变时，加密耗时7 424μs，解密耗时7 424μs。对于相同长度的字符串，密钥长度的改变对加密／解密时间的影响不是很大。
    值得一提的是，刚开始实验时，被加密字符串分别取为190字节和75字节，测得耗时分别是34 032μs和16 928μs，显然与倍增的关系相差很远。分析程序后发现，原来问题出在加密算法中间的打印语句“Uan_Printf(“＼ncounting begin...!!!”)”上。原来以为它耗时很少，故没有将它从加密算法中移走；移走后再试，耗时大减，分别为29 600 μs和12 496μs，与字符数倍增、时间倍增的预期基本相符。上面的实验，还使笔者得知该打印语句占用了4432μs。稍微修改条件，继续实验：当上述打印语句的字节数扩充为原来的4倍时，测得该语句耗时17728μs。可见，耗时与打印内容的字节数基本上成正比；另外，这种打印语句与加密／解密算法本身相比，并不是想当然地只占用一点点时间。(上述数据与PC机串口通信波特率的设置无明显关系。实际测试结果为：波特率由115 200bps下降到57 600 bps，没有可以察觉到的差别。)

3 测量方法讨论
    ARM内置看门狗用作时间度量的适用范围，大体以μs数量级为界。比如，从S3C44bOX的器件特性说明中可知，MCLK在看门狗计时器里的分频比至少是1／16。典型情况下，MCLK=60MHz，则看门狗能够分辨的最短时间单元t=l/(60 MHz／16)=0．27μs。统计误差约为t／2，即O．1μs数量级。就μs级的时间测量精度而言，相对误差有可能达到1％～10％；不过，这对很多速度估算的场合来说还是可以接受的。如果被测时间在10μs以上，那就没有任何问题，可以认为是相当精确的了。
    这种思路还可用来实现精确延时，因为它的定时不依赖于指令执行时间(指令执行要受到系统调度等的影响，因而有很多不确定因素)，而取决于对主时钟的硬件分频计数。
    由此实验推广，ARM内置看门狗可以作为此类系统中的第二时钟存在。对于那些时间要求精确到μs、RTC的精度无法满足的应用，这种处理都不失为一种准确、高效的方法。