使用FreeRTOS進行性能和運行時分析

在MCU on Eclipse網站上看到Erich Styger在2月25日發的博文，一篇關於使用FreeRTOS進行性能和運行分析的文章，本人以爲頗有啓發，特將其翻譯過來以備參考。固然限於我的水平，有描述不當之處懇請指正。原文網址：https://mcuoneclipse.com/2018/02/25/performance-and-runtime-analysis-with-freertos/#more-23229

 

FreeRTOS操做系統的優勢之一是它提供了免費的性能分析：它向咱們展現在每一個任務中花費了多少時間。最好的是：它在Eclipse中也以圖形的方式顯示了相應內容：

 

Eclipse中的FreeRTOS運行時信息

在上面的輸出中，我看到個人應用程序如今是97.5%的空閒，這是一件好事，符合個人指望，由於這個機器人正等待着在軌道上運行。

如何得到這樣的信息?

在Eclipse中的圖形視圖中須要一個Eclipse插件(請參閱Eclipse中更好的FreeRTOS調試)。該插件已經預先安裝在NXP MCUXpresso IDE中。

另外一種查看該信息的方法是使用「tasklist」命令，該命令將輸出發送到控制檯(Segger RTT, UART, USB或相似的)：

 

Tasklist命令

此命令可用於GitHub上的McuOnEclipse FreeRTOS。

如何工做的?

在每一個任務切換時，FreeRTOS記錄會切換到該任務所傳遞的時間(或消耗的時間)。爲此，它在任務信息結構中使用了一個32位計數器。這其實是在「運行時」列下的「任務列表」命令顯示的計數器。而後根據總運行時的總數來計算百分比。

FreeRTOS內部的計數器值爲32位，因此它不太適合長時間的測量。

爲了修正這些數字，在FreeRTOSConfig.h中必須將兩個FreeRTOS配置定義爲1。

#define configUSE_TRACE_FACILITY 1 /* 1: 包括額外的結構成員和功能，以協助執行可視化和跟蹤，0: 沒有運行時狀態跟蹤*/

#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS 1 /* 1: 生成運行時統計; 0: 沒有運行時統計 */

若是使用處理器專家，上述兩個配置項有一個圖形化設置:

 

用於性能分析的處理器專家設置

計數器

如上所述:FreeRTOS記錄了每一個任務所花費的時間。但這實際上不是實時的，若是configGENERATE_RUN_TIME_STATS打開，它只是某種計時器的計數器值。在這種狀況下，FreeRTOSConfig。h須要配置有兩個應用程序功能配置的宏：

#define portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS() AppConfigureTimerForRuntimeStats()

#define portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE()         AppGetRuntimeCounterValueFromISR()

第一個是在RTOS啓動時配置timer，第二個是返回實際的計時器計數器值。

通常的經驗法則是，用於測量任務的計時器應該比實際的滴答計數器快10倍。

處理器專家的用戶又有了一個優點:他們能夠在處理器專家設置中輕鬆地配置這樣的計時器，而且一切都獲得了處理:

 

FreeRTOS的處理器專家計時器

下面是一個計時器的設置，它的運行速度是1 kHz RTOS計時器的10倍。

 

性能計數器

下面是產生的定時器代碼:

/*

** ===================================================================

**     Method      :  FRTOS1_OnCounterRestart (component FreeRTOS)

**

**     Description :

**         This method is internal. It is used by Processor Expert only.

** ===================================================================

*/

void RTOSCNTRLDD1_OnCounterRestart(LDD_TUserData *UserDataPtr __attribute__((unused)))

{

  FRTOS1_RunTimeCounter++; /* increment runtime counter */

}

 

/*

** ===================================================================

**     Method      :  FRTOS1_AppConfigureTimerForRuntimeStats (component FreeRTOS)

**     Description :

**         Configures the timer for generating runtime statistics

**     Parameters  : None

**     Returns     : Nothing

** ===================================================================

*/

#if configGENERATE_RUN_TIME_STATS

void FRTOS1_AppConfigureTimerForRuntimeStats(void)

{

#if configGENERATE_RUN_TIME_STATS_USE_TICKS

  /* nothing needed, the RTOS will initialize the tick counter */

#else

  FRTOS1_RunTimeCounter = 0;

  FRTOS1_RunTimeCounterHandle = RTOSCNTRLDD1_Init(NULL);

  (void)RTOSCNTRLDD1_Enable(FRTOS1_RunTimeCounterHandle);

#endif

}

 

#endif /* configGENERATE_RUN_TIME_STATS */

/*

** ===================================================================

**     Method      :  FRTOS1_AppGetRuntimeCounterValueFromISR (component FreeRTOS)

**     Description :

**         returns the current runtime counter. Function can be called

**         from an interrupt service routine.

**     Parameters  : None

**     Returns     :

**         ---             - runtime counter value

** ===================================================================

*/

uint32_t FRTOS1_AppGetRuntimeCounterValueFromISR(void)

{

#if configGENERATE_RUN_TIME_STATS

  #if configGENERATE_RUN_TIME_STATS_USE_TICKS

  return xTaskGetTickCountFromISR(); /* using RTOS tick counter */

#else /* using timer counter */

  return FRTOS1_RunTimeCounter;

  #endif

#else

  return 0; /* dummy value */

#endif

}

中斷服務例程計數一個計時器計數器，該計數器用於度量在任務中花費的時間。

若是中斷是從性能角度考慮的問題，而且不須要很高的精度，那麼處理器專家端口就有一個很好的特性:它不使用專用計時器，而是從新使用RTOS的滴答計時器。爲此，有一個額外的設置來配置這個:

#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS_USE_TICKS 0 /* 1: 使用RTOS tick計數器做爲運行時計數器。 0: 使用額外的

在UI中對應的設置以下:

 

使用Tick計數器

有了這些，咱們能夠作一些基本的測量。但這不適合測量短任務執行時間。說RTOS的計時器是1毫秒，那麼運行不到1毫秒的任務將不多被測量。

使用ARM Cortex循環計數器

另外一種在ARM Cortex M（例如：Cortex-M4或M7）上測量執行時間的方法是使用ARM Cortex循環計數器。

#include "KIN1.h"

 

static uint32_t prevCycleCounter, cycleCntCounter = 0;

 

void AppConfigureTimerForRuntimeStats(void) {

  cycleCntCounter = 0;

  KIN1_InitCycleCounter();

  prevCycleCounter = KIN1_GetCycleCounter();

}

 

uint32_t AppGetRuntimeCounterValueFromISR(void) {

  uint32_t newCntr, diff;

 

  newCntr = KIN1_GetCycleCounter();

  diff = newCntr-prevCycleCounter;

  prevCycleCounter = newCntr;

  cycleCntCounter += diff>>12; /* scale down the counter */

  return cycleCntCounter;

}

這種方法測量循環計數器區別兩個調用AppGetRuntimeCounterValueFromISR()和基於價值的計數器計數。爲了避免過快地計算，計數器的值在上面的實現(使用120 MHz ARM的Cortex-M4)上按12位的偏移量縮小。對於運行速度更快或更慢的內核，您可能須要調整該值。

總結

FreeRTOS具備跟蹤任務執行時間的內置函數。它是在每一個任務描述符中使用一個計數器實現的，所以不須要太多RAM。應用程序必須提供一個計數器，其速度一般比正常狀況下要快10倍，以得到一些合理的測量值。可是，即便使用tick計數器自己也會給出一些粗略的性能分析數據。不然，應用程序能夠提供一個按期計時器計數器。若是使用臂皮質- m3 /M4/M7，使用手臂皮層循環計數器是另外一種選擇，由於它不須要任何定時器或中斷。

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