痞子衡嵌入式：恩智浦i.MX RTxxx系列MCU特性介紹（2）- RT685EVKA性能實測(Dhrystone)

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　　你們好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給你們介紹的是恩智浦i.MX RTxxx系列MCU的性能。

　　在前面的文章 i.MXRTxxx微控制器概覽 裏，痞子衡給你們簡介過恩智浦半導體在2018年推出的全新跨界微控制器i.MX RTxxx系列，該系列第一款芯片i.MXRT600搭載一顆Cortex-M33控制內核和一顆Tensilica HiFi4 DSP處理內核，該芯片可在超低功耗邊緣處理應用中實現高效本地音頻預處理、沉浸式3D音頻播放和支持語音的體驗。今天痞子衡先爲你們實測一下其Cortex-M33控制內核的性能，性能測試程序採用經典的Dhrystone算法。

　　關於Dhrystone標準的基本知識，痞子衡以前專門寫過一篇文章 微處理器CPU性能測試基準(Dhrystone) ，本篇就是基於瞭解Dhrystone基本知識以後的一次實踐。來，讓咱們開始吧。

1、準備工做

1.1 硬件平臺NXP i.MX RT600 EVK

　　要開始實測i.MXRT600的Dhrystone，首先你得有一塊開發板，恩智浦官網上有i.MXRT600配套的評估板，以下圖所示，痞子衡今天用的就是這塊板子，板載主芯片型號爲iMXRT685EVKA。

1.2 集成開發環境IAR EWARM

　　ARM Cortex-M微控制器的集成開發環境有不少，其中IAR EWARM憑藉優良的特性備受廣大工程師青睞，今天痞子衡就選用IAR做爲軟件環境，具體版本爲IAR EWARM v8.32.2。

1.3 官方軟件開發包NXP MCUXpresso SDK

　　在開始移植Dhrystone程序到i.MXRT685上以前，咱們須要先有一個i.MXRT685的基本hello world的例程，固然咱們能夠對着數據手冊本身從頭寫一個，可是這裏痞子衡推薦使用官方軟件開發包。
　　註冊並登陸恩智浦官網，來到 MCUXpresso SDK Builder 頁面，在"Select Development Board"裏選擇EVK-IMXRT685後點擊Build MCUXpresso SDK後跳轉到下一個頁面，在"Developer Environment Settings"裏選擇IAR並點擊Download SDK後即可獲得SDK_2.5.0_EVK-MIMXRT685.zip，下面是痞子衡下載的開發包具體版本信息：

2、開始實測

2.1 跑通hello world

　　使用USB線鏈接電腦與板子的J5 USB口，此時在設備管理器應該能夠看到USB虛擬的串口（EVK板載LPC-LINK2調試器內含USB轉串口功能，若是看不到串口，請自行安裝LPC-LINK2驅動）。
　　打開前一步下載的開發包裏的\SDK_2.5.0_EVK-MIMXRT685\boards\evkimxrt685\demo_apps\hello_world\iar\hello_world.eww工程，確認工程option裏linker文件選擇的是MIMXRT685Sxxxx_ram.icf，而後使用板載調試器直接將工程下載進主芯片的RAM運行。
　　若是工程運行正常，你在串口調試助手（115200，8N1）裏應該能看到"hello world."打印輸出。

2.2 移植Dhrystone程序

　　以hello_world工程爲基礎，將從Roy Longbottom的網站下載到的classic_benchmarks.tar.gz包解壓，將\classic_benchmarks\source_code\dhrystone2\路徑下的以下全部源文件(.c或.h)所有拷貝到hello world工程目錄下

\classic_benchmarks\source_code\dhrystone2
                                          \dhry.h          --關於兼容性的原型定義
                                          \dhry_1.c        --主程序入口
                                          \dhry_2.c        --算法子程序

　　將上面全部Dhrystone源文件所有添加進hello_world工程並將工程改名爲dhrystone，而後再將工程中原主函數入口文件hello_world.c改名爲dhrystone.c，此時基本Dhrystone工程就完成了。但注意此時工程沒法編譯，由於Dhrystone源文件還須要進一步修改。

2.2.1 適配嵌入式平臺

　　咱們下載的Dhrystone源碼本用做在PC上運行的，因此源碼裏面有一些僅適用於PC上運行的代碼，好比計時部分、文件I/O部分，須要將這些代碼所有刪除以適合在嵌入式平臺運行。
　　關於計時部分，須要刪除dhry_1.c文件裏的#include < time.h> 語句，而且刪除dhry.h文件裏跟TIME宏相關的以下代碼：

#ifndef TIME
#define TIMES
#endif
/* Use times(2) time function unless    */
/* explicitly defined otherwise         */

#ifdef TIMES
#include <sys/types.h>
#include <sys/times.h>
/* for "times" */
#endif

　　關於文件I/O部分，須要刪除dhry_1.c文件裏的#include < stdio.h> 語句，以及以下涉及文件I/O（主要是關於Dhry.txt的操做）的代碼：

#include <stdio.h> // 需刪除

void main (int argc, char *argv[]) // 需更改成void main(void)
{
    // ...
    // 如下代碼需刪除
    /* Initializations */
    if (argc > 1)
    {
        switch (argv[1][0])
        {
            case 'N':
                nopause = 0;
                break;
            case 'n':
                nopause = 0;
                break;
        }
    }

    if ((Ap = fopen("Dhry.txt","a+")) == NULL)
    {
        printf(" Can not open Dhry.txt\n\n");
        printf(" Press Enter\n\n");
        int g = getchar();
        exit(1);
    }

    // ...
    {
        // ...
        /************************************************************************
         *                Add results to output file Dhry.txt                   *
         ************************************************************************/
        fprintf (Ap, " #####################################################\n\n");
        fprintf (Ap, " Dhrystone Benchmark 2.1 %s via C/C++ %s\n", options, timeday);
        // ...
        fclose(Ap);
    }
}

2.2.2 板級初始化

　　上一節裏已經將dhry_1.c裏面的main函數形參int argc, char *argv[]改爲了void，因爲dhrystone.c（原hello_world.c）裏已有main函數，且該main函數中含有板級初始化代碼，因此咱們須要將dhry_1.c裏的main函數改名（好比可改名爲dhrystone()），使dhrystone源碼做爲子程序來調用，這樣便於往不一樣MCU平臺移植，最後直接dhrystone.c裏的main函數中增長dhrystone()的調用便可。

// dhry_1.c文件中
void main (void) // 需更改成void dhrystone(void)
{
    ...
}

// dhrystone.c文件中
int main(void)
{
    /* Init board hardware. */
    BOARD_InitPins();
    BOARD_BootClockRUN();
    BOARD_InitDebugConsole();

    // 增長的dhrystone函數調用
    dhrystone();

    while (1)
    {
    }
}

2.2.3 計時功能

　　原dhry_1.c文件裏的關於計時部分的代碼應該作一些微調整，time.h頭文件的包含應該去除，這是Windows系統裏的頭文件，start_time(), end_time()是基於time.h裏clock_gettime()函數而封裝的API，secs是用於記錄時間差的變量，這些API和全局變量均可以保留，但須要用MCU裏的計時器從新實現。

#include <time.h> // 需刪除

void dhrystone (void)
{
    // ...
    do
    {
        start_time();
        // ...
        end_time();
        User_Time = secs;
    }
    while (count >0);
}

　　關於計時器，第一個想到的天然是Cortex-M內核裏的SysTick，不過考慮到Dhrystone程序是要跑在300MHz的主頻下，而SysTick計時器只有24bit，也就是說即便SysTick->LOAD設最大的reload值0xFFFFFF，也將每隔0.05592s(0x1000000/300MHz)產生一次SysTick中斷，而Dhrystone程序至少要跑2s以上，在Dhrystone運行的2s內會產生35次（2/0.05592）SysTick中斷，這無疑會下降Dhrystone得分，因此SysTick直接被pass。(備註：SysTick->CTRL[2]用於選擇SysTick的時鐘源，默認1'b0爲Core Clock，1'b1爲外部clock，暫未研究這裏的外部clock在i.MXRT685上是否能用)。
　　翻看i.MXRT685的參考手冊，其支持的計時器種類不少，有CTIMER、SCT、MRT、UTICK、WWDT，就選擇比較經常使用的32bit計時器CTIMER吧。
　　以前下載的軟件包裏也有CTIMER的例程\SDK_2.5.0_EVK-MIMXRT685\boards\evkimxrt685\driver_examples\ctimer，打開simple_match_interrupt.c文件將其中CTIMER初始化相關代碼放入新定義的timer_ctimer_init()函數中並在start_time()中調用timer_ctimer_init()一次以完成CTIMER初始化。
　　此外還須要添加定義#define CLOCKS_PER_SEC (16000000)，由於CTIMER選擇的時鐘源是16MHz。

#define CLOCKS_PER_SEC (16000000)

volatile uint32_t s_timerHighCounter = 0;
void ctimer_match0_callback(uint32_t flags)
{
    s_timerHighCounter++;
}

void timer_ctimer_init(void)
{
    ctimer_config_t config;

    /* Use 16 MHz clock for the Ctimer2 */
    CLOCK_AttachClk(kSFRO_to_CTIMER2);

    CTIMER_GetDefaultConfig(&config);
    CTIMER_Init(CTIMER, &config);

    /* Configuration 0 */
    matchConfig0.enableCounterReset = true;
    matchConfig0.enableCounterStop = false;
    matchConfig0.matchValue = (uint32_t)~0;
    matchConfig0.outControl = kCTIMER_Output_Toggle;
    matchConfig0.outPinInitState = false;
    matchConfig0.enableInterrupt = true;

    CTIMER_RegisterCallBack(CTIMER, &ctimer_callback_table[0], kCTIMER_SingleCallback);
    CTIMER_SetupMatch(CTIMER, CTIMER_MAT0_OUT, &matchConfig0);
    CTIMER_StartTimer(CTIMER);
}

void start_time(void)
{
    timer_ctimer_init();
    s_timerHighCounter = 0;
}

void end_time(void)
{
    uint64_t retVal;
    uint32_t high;
    uint32_t low;
    do
    {
        high = s_timerHighCounter;
        low = CTIMER_GetTimerCountValue(CTIMER);
    } while (high != s_timerHighCounter);
    retVal = ((uint64_t)high << 32U) + low;
    
    CTIMER_StopTimer(CTIMER);

    secs = retVal / (CLOCKS_PER_SEC * 1.0);
}

2.2.4 串口打印功能

　　串口打印功能的改動比較簡單，直接把原dhry_1.c文件裏的printf()所有替換成PRINTF()便可，PRINTF函數在原hello world工程裏已經實現了。

2.3 Dhrystone參數配置

　　痞子衡在Dhrystone標準的基本知識介紹裏說過，Dhrystone幾乎沒有參數配置，惟一須要注意的就是REG，Cortex-M33平臺支持register關鍵字，因此咱們在IAR工程option裏宏定義框內加上 REG=register。
　　此外咱們還須要在宏定義框內設置額外兩個宏 NUMBER_OF_RUNS、CORE_FREQ_MHz，前者表明跑dhrystone核心算法程序的總次數，後者是當前MCU實際運行主頻。最後還須要設置一下IAR的優化選項，以下圖所示：

2.4 輸出Dhrystone結果

　　到這裏Dhrystone的移植工做就徹底結束了，此時Dhrystone工程也應該能正常編譯了。爲獲得最高的Dhrystone得分，最後須要再肯定兩件事：1、Core Clock是否肯定配置爲300MHz；2、工程代碼段/數據段是否放在了SRAM。
　　打開clock_config.c文件，查看BOARD_BootClockRUN()函數，ARM Core/AHB時鐘僅保守地配了250MHz，讓咱們修改Pfd0的分頻係數，從19修改成16，直接超頻到300MHz。

void BOARD_BootClockRUN(void)
{
    // ...

    CLOCK_InitSysPll(&g_configSysPll); /* Configure system PLL to 528Mhz. */
    /* Valid PFD values are decimal 12-35. */
    // 將分頻係數修改16
    // CLOCK_InitSysPfd(kCLOCK_Pfd0, 19); /* Enable main PLL clock 500MHz. */
    CLOCK_InitSysPfd(kCLOCK_Pfd0, 16); /* Enable main PLL clock 594MHz. */

    // ...

    /* Let CPU run on SYS PLL PFD0 with divider 2. */
    CLOCK_SetClkDiv(kCLOCK_DivSysCpuAhbClk, 2);
    CLOCK_AttachClk(kMAIN_PLL_to_MAIN_CLK);

    // ...
}

　　再打開MIMXRT685Sxxxx_ram.icf文件，查看text/data段確實放在了SRAM裏(0x0 - 0x47FFFF)：

define symbol m_interrupts_start               = 0x00080000;
define symbol m_interrupts_end                 = 0x00080143;

define symbol m_text_start                     = 0x00080144;
define symbol m_text_end                       = 0x001BFFFF;

define symbol m_data_start                     = 0x001C0000;
define symbol m_data_end                       = 0x002FFFFF;

　　還等什麼？將Dhrystone工程趕忙下載進芯片並打開串口調試助手看Dhrystone得分啊。痞子衡實測的Dhrystone得分爲411 DMIPS，1.37 DMIPS/MHz，這跟ARM官方公佈的CM33內核Dhrystone得分1.5 DMIPS/MHz有點差距。

　　對於Dhrystone得分沒上1.5 DMIPS/MHz，痞子衡固然不服，鑑於以前在 RT1052上測試CoreMark性能 的經驗，咱們知道低版本的IAR在速度優化上表現要更好，因此咱們繼續用IAR 7.80.4再測一遍，這一次獲得了440 DMIPS，1.466 DMIPS/MHz，這才差很少接近ARM官方指標。

　　想偷懶的朋友直接移步痞子衡的github https://github.com/JayHeng/Cortex-M-Apps 去下載移植好的工程，工程在\Cortex-M-Apps\apps\dhrystone_imxrt685\bsp\下面。

　　至此，恩智浦i.MX RTxxx系列MCU的Dhrystone性能與實測痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裏~~~