ARM内核目标系统中的代码运行时间测试方法

　　在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[1]；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[2]。

　　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[3]。

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（如需详细解释可查阅器件手册，如参考文献[3]），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[4]。

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)|(23); //1 MHz/64,Watchdog,nRESET,中断禁止
rWTDAT=0xffff;
rWTCNT=0xffff;
rWTCON=((MCLK/1000000-1)8)|(23)|(15); //计时开始
}
int my_CountStop() {
int i=0;
rWTCON=((MCLK/1000000-1)8)|(23); //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189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