【再话Zedboard】如何在SDK中计算某段程序的执行时间

URL: http://blog.chinaaet.com/detail/31789
首先赞一下自动保存功能，今天在网页上写的，不小心关掉了，那个心疼啊，幸好有自动保存功能，成功恢复了！
废话不多说了，直奔主题吧。
计算一段程序的执行时间主要是为了方便计算一些算法的效率，当然，如果能够计算出一段程序的执行时间，也就能够轻松编写出精确延时时间了。
调试51单片机的时候，可以可以在Keil中设定断点，直观地计算出两个断点之间的程序运行时间，也可以利用反汇编代码计算某段程序的运行时间。
对于zynq的SDK而言，第一种方法无法实现；第二种方法虽然可行，但对于较长的程序段，计算起来是很麻烦的，也不太可取。
思来想去，也有两种比较可行的方法：
1、利用一个GPIO指示程序运行的开始和结束，例如程序开始前和结束后将GPIO置低，程序运行过程中，将GPIO拉高，用示波器测量高电平持续时间。
2、获取某程序段执行前程序运行的机器周期总数N1，该程序段执行后程序运行的机器周期总数N2，就可以计算出该段程序的执行时间T，T=(N2-N1)*机器周期。
第一种方法就不多说了，比较简单，缺点是需要外界测量设备配合。
第二种方法可以利用ARM 内核中的Performance Monitor Unit（PMU，性能检测单元）实现。
下面首先给出示例代码，然后再分析实现过程。

#include 
#include "sleep.h"
#include "xil_io.h"
#include "xtime_l.h"
#include "xil_printf.h"
#include "xpm_counter.h"
#include "xparameters.h"
#define COUNTS_PER_SECOND          (XPAR_CPU_CORTEXA9_CORE_CLOCK_FREQ_HZ / 64)

intmain()
{
    XTime tEnd, tCur;
    u32 tUsed; 
    XTime_GetTime(&tCur);
    usleep(1345);
    XTime_GetTime(&tEnd);
    tUsed = ((tEnd-tCur)*1000000)/(COUNTS_PER_SECOND);
    printf("time elapsed is %d us\r\n",tUsed);
    while(1);  //等待
    return0;
}

调试结果：

本例测量误差为：3.57%。对于多个程序段的测量后发现，误差具有随机性，例如，延迟45us，测量值为52us，误差约为16%；延时13045us，测量值为12533us，误差约为3.92%。
虽然存在一定的误差，也差强人意了，精度问题需要进一步研究。
下面，分析一下具体代码：
上面代码关键点有两条：
1、XTime_GetTime()函数如何实现；
2、公式tUsed = ((tEnd-tCur)*1000000)/(COUNTS_PER_SECOND)的含义；
 
1、XTime_GetTime()的代码如下：

/****************************************************************************
*
* Get the time from the Cycle Counter Register.
*
* @param    Pointer to the location to be updated with the time.
*
* @return   None.
*
* @note     None.
*
****************************************************************************/
void XTime_GetTime(XTime *Xtime)
{
    u32 reg;
    u32 low;
 
    /* loop until we got a consistent result */
    do {
#ifdef __GNUC__
        low = mfcp(XREG_CP15_PERF_CYCLE_COUNTER);
        reg = mfcp(XREG_CP15_V_FLAG_STATUS);
#else
        { register unsigned int Reg __asm(XREG_CP15_PERF_CYCLE_COUNTER);
          low = Reg; }
        { register unsigned int Reg __asm(XREG_CP15_V_FLAG_STATUS);
          reg = Reg; }
#endif
        if (reg & CYCLE_COUNTER_MASK) {
            /* clear overflow */
            mtcp(XREG_CP15_V_FLAG_STATUS, CYCLE_COUNTER_MASK);
            high++;
        }
    } while (reg & CYCLE_COUNTER_MASK);
 
    *Xtime = (((XTime) high) << 32) | (XTime) low;
}

其中：
#define XREG_CP15_PERF_CYCLE_COUNTER  "cp15:0:c9:c13:0"
#define XREG_CP15_V_FLAG_STATUS   "cp15:0:c9:c12:3"
调试的时候，由于定义了 #define __GNUC__的情况下，执行
#ifdef __GNUC__ 和 #else之间的代码。
mfcp指令定义为：

#define mfcp(rn)    ({unsigned int rval; \
             __asm__ __volatile__(\
               "mrc " rn "\n"\
               : "=r" (rval)\
             );\
             rval;\
             })

mfcp指令如下：

这里纠结啊，找了这么多资料，还是看不明白，最后反汇编结果如下：


上述指令操作的是arm CP15协处理器的 c9 寄存器（performance monitors）。
mrc  p15, 0, r12, cr9, cr13, {0}              ；将CP15的寄存器C9的值读到r12中，由下图可以看出该语句是读取PMCCNTR寄存器
mrc  p15, 0, r3, cr9, cr12, {3}              ；将CP15的寄存器C9的值读到r3中，由下图可以看出该语句是读取PMOVSR寄存器
至此，XTime_GetTime()函数解析得差不多了，不过多少还是有点不清晰，希望在行的网友能给我一些帮助~

最终读取的是PMCCNTR，也就是Performance Monitors Cycle Count Register的值。接下来看一下PMCCNTR：
 
 由上图可以看出，计数周期可能存在两个值：i)、PMCR.D = 0，每个时钟周期计数一次 ii)、PMCR.D = 1时，每64个时钟周期计数一次。
时间计算公式应根据这两种情况确定，我这里用的公式是针对的第ii种情况。
至于系统什么时候给PMCR.D赋值，明天再分析吧，今天有点晚了~
关于PMCR.D=1的赋值语句，我在这简单给一下，就不再新开一篇了：
具体赋值是在standalone_bsp提供的启动代码，对cpu初始化时进行的，具体代码为：

mov r2, #0xd        /* D, C, E */
mcr p15, 0, r2, c9, c12, 0
mov r2, #0x80000000     /* enable cycle counter */
mcr p15, 0, r2, c9, c12, 1

具体意思就不赘述了，文章中已经给出了相关参考资料。该段代码位于cpu_init.s中。

以上引用了cuter在ChinaAET的博客，参照其代码自建了工程，非常感谢。这里补一些自己的说明。

硬件设施：ZedBoard

开发环境：Xilinx Design Tools 14.4

将cuter的源码导入工程后，得出的结果误差很大。后来发现是XTime_GetTime的实现方式不同。

/****************************************************************************
*
* Get the time from the Global Timer Counter Register.
*
* @param	Pointer to the location to be updated with the time.
*
* @return	None.
*
* @note		None.
*
****************************************************************************/
void XTime_GetTime(XTime *Xtime)
{
	u32 low;
	u32 high;

	/* Reading Global Timer Counter Register */
	do
	{
		high = Xil_In32(GLOBAL_TMR_BASEADDR + GTIMER_COUNTER_UPPER_OFFSET);
		low = Xil_In32(GLOBAL_TMR_BASEADDR + GTIMER_COUNTER_LOWER_OFFSET);
	} while(Xil_In32(GLOBAL_TMR_BASEADDR + GTIMER_COUNTER_UPPER_OFFSET) != high);

	*Xtime = (((XTime) high) << 32) | (XTime) low;
}

看的出，这里是由Cortex-A9的全局定时器读取的计数值，该定时器使用的是CPU时钟的二分频。所以更改后的代码为：

/*
 * PMU_Demo.c
 *
 *  Created on: 2014-7-14
 *      Author: Administrator
 */
#include 
#include "sleep.h"
#include "xil_io.h"
#include "xtime_l.h"
#include "xil_printf.h"
#include "xpm_counter.h"
#include "xparameters.h"

#define COUNTS_PER_SECOND          (XPAR_CPU_CORTEXA9_CORE_CLOCK_FREQ_HZ / 2)

int main()
{
    XTime tEnd, tCur;
    u32 tUsed;

    XTime_GetTime(&tCur);
    usleep(1345);
    XTime_GetTime(&tEnd);
    tUsed = ((tEnd-tCur)*1000000)/(COUNTS_PER_SECOND);
    xil_printf("time elapsed is %d us\r\n",tUsed);
    while(1);   //等待

    return 0;
}

此时得出的时间误差就非常小了。