Zedboard(五)嵌入式应用程序开发——时间性能分析

Zedboard开发之时间性能分析

本篇主要介绍如何利用Xilinx SDK自带的分析工具，对裸机开发中的应用程序进行时耗的性能分析。主要用到的工具有2个，TCF profiling和Gprof。内容大多是对官方网站SDK操作手册的梳理与实践的过程，内容如下：

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目录

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TCF profiling

这个工具主要是通过Jtag调试接口对程序计数器进行采样，分析每个函数执行的时间占整个应用程序的比重，可以据此做一些简单的瓶颈分析。如果未启用堆栈跟踪时则是非侵入式的（理论上不影响原程序）。 启用堆栈跟踪时，由于调试器必须收集堆栈跟踪信息，程序执行速度会降低，对程序影响较大。

该工具的使用比较简单：
1. 进入程序的Debug模式。选择需要分析的应用程序，右键 Run > Debug As > Launch on Hardware (System Debugger).
2. 调出TCF profiling窗口。进入Debug模式后，程序会停留在main()函数的入口。选择SDK菜单栏 Window > Show View > Other > Debug > TCF Profiler.（如下图）调出TCF窗口

3. 启动TCF分析工具。点击TCF窗口右上角的 按钮启动。

出现上面的对话窗口，默认即可点OK
Aggregate Per Function勾选则同一个函数不用地址采样的结果会分成一组，否则采样结果按照每个地址显示。
Enable stack tracing勾选则可以追溯每个采样结果的堆栈轨迹，单击每个采样地址就可以显示其堆栈轨迹。
View update interval 是分析窗口的更新时间间隔（单位ms），注意并不是采样的时间间隔！
4. 开始程序运行。按F8或者点击Resume按钮，程序会执行到断点处（没有断点这执行到结束）TCF会分析这段执行过程每个函数的时间占用情况。
5. 下图是笔者某个应用程序的运行结果。

Exclusive time是该函数本身基本操作（不包括子函数调用）的时间占比。
Inclusive time是该函数调用所用的时间（包括子函数调用）的时间占比。

点击每一行，可以查看调用本函数的母函数和被本函数调用的子函数。分析结果似乎不能保存（没有仔细研究，如果有误请纠正）随着Debug模式的退出，结果也会消失。

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Gprof

Gprof是“软件侵入”式的，程序被周期性地中断以获得其程序计数器位置的样本，从而分析每个函数的运行时间特性。编译器注释每个函数调用，以将调用者和被调用者信息存储在数据结构中，从而得到函数之间的调用关系。

与TCF不同的是，Gprof的分析项目有4个：采样数（Samples）、调用次数（Calls）、执行时间÷调用次数（Time/call）、时间占比（%Time），我们可以得知程序的执行时间（尽管这个时间是在有采样的干涉下得到的，但仍然可以作为瓶颈分析的依据）。而且Gprof是在Run模式下进行的，程序会从头到尾执行一遍而不停在某个断点处。程序执行结束后，结果会自动保存。

Gprof的使用也不难，主要是前期的一些参数设置比较麻烦：

1. 设置板级驱动包BSP的参数。选择应用程序对应的驱动包，右击Board Support Package Settings
   
   
   转到drivers->ps7_cortexa9_0右侧extra_compiler_flags的Value，在末尾加“-pg”点击OK
   
2. 设置应用程序的编译器参数。选择待分析的应用程序，右键C/C++ Build Settings(请在更新好BSP之后再执行此操作)
   
   选择C/C++ Build->Settings,右侧栏ARM v7 gcc compiler->Symbols，点击右侧 图标
   
   在新打开窗口中输入SW_PROFILE(区分大小写)点击OK
   
   右侧栏ARM v7 gcc compiler->Profiling,勾选右侧的Enable Profiling(-pg)选项。
   
3. 设置应用程序的Run参数。选择应用程序目录下的Binaries->工程名.elf右键Run AS->Run Configurations
   
   在Xilinx C/C++ application下选择 工程名.Debug(如果没有就双击来创建一个)，在Profile Options选项卡下做下图的设置。（收集采样数据的地址可能得根据自己的实际情况设置合适的地址）
   

提醒一下：在进入Run Configurations之前应该连接好板子和PC，确认STDIO Connection选项卡的端口信息正确。

1. 执行运行程序并查看分析结果。设置完毕后点击Run，等待程序完整执行一遍，会提示Gprof结果已保存。在工程的Debug下面有gmon.out文件。双击该文件就可以打开Gprof分析结果。（这个过程可能会卡，笔者等了一小会才出来结果）
   
   如下图所示，gprof给出了每个函数的4项性能参数。
   
2. Gprof的一些分析工具。
   第一，函数调用关系。点击窗口右上的 按钮，就可以得到每个函数的母函数和子函数（单击每个函数来查看）
   
   第二，Gprof还提供了画图功能，选中某几个函数，点击右侧最末 按钮，可以画出直方图或者饼状图。
   
   

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结语

至此，本文的介绍就接近尾声了。小结一下，TCF和Gprof主要是针对时间维度的性能分析，通过这个工具我们可以知道哪些函数占用了较多是执行时间，从而展开优化。调用次数是一个模块为可并化的一种衡量标准，对于调用次数较多的模块，如果其耦合程度低，或许后期可以用硬件加速加以优化。
对于处理器缓存以及读写操作的相关性能，SDK也提供了相应的分析工具，留在下一篇单独介绍。

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