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ARM内核目标系统中的代码运行时间测试

时间:05-20 来源:单片机及嵌入式系统应用 点击:

  在ARM|0">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S3C44B0X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。

图1 S3C44B0X内嵌看门狗硬件原理框图

  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=1/(MCLK/(Prescaler value+1)/Division_factor )。式中,参数Prescaler value的取值为0~28-1;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,其他全为保留位,可全置为0。

  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S3C44B0X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WTCON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

  void my_CountStart() {

  rWTCON=((MCLK/1000000-1)<<8)|(2<<3);   //1 MHz/64,Watchdog,nRESET,中断禁止

  rWTDAT=0xffff;

  rWTCNT=0xffff;

  rWTCON=((MCLK/1000000-1)<<8)|(2<<3)|(1<<5);   //计时开始

  }

  int my_CountStop() {

  int i="0";

  rWTCON=((MCLK/1000000-1)<<8)|(2<<3);   //计时结束

  i=0xffff-rWTCNT;//每16 μs计数一次

  return i*16;

  }

  (2) 应用

  int Main() {

  my_CountStart();

  Des_Go(buf, buf, sizeof(str), key, sizeof(key), ENCRYPT, Is3DES);

  encrypt_time=my_CountStop();

  }

  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1 89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28 832 μs,解密时间为28 896 μs。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16 928 μs,解密耗时16 948 μs;字符串长度为41字节而其他地方不变时,加密耗时7 424 μs,解密耗时7 424 μs。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34 032 μs和16 928 μs,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"Uart_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12 496 μs,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4 432 μs。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17 728 μs。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115 200 bps下降到57 600 bps,没有可以察觉到的差别。)

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