使用FreeRTOS進行效能和執行時分析
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進行效能和執行分析的文章，本人覺得很有啟發，特將其翻譯過來以備參考。當然限於個人水平，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作業系統的優點之一是它提供了免費的效能分析：它向我們展示在每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執行時資訊
在上面的輸出中，我看到我的應用程式現在是97.5%的空閒，這是一件好事，符合我的期望，因為這個機器人正等待著在軌道上執行。
如何獲得這樣的資訊?
在Eclipse中的圖形檢視中需要一個Eclipse外掛(請參閱Eclipse中更好的FreeRTOS除錯)。該外掛已經預先安裝在NXP MCUXpresso IDE中。
另一種檢視該資訊的方法是使用“tasklist”命令，該命令將輸出傳送到控制檯(Segger RTT, UART, USB或類似的)：
Tasklist命令
此命令可用於GitHub上的McuOnEclipse FreeRTOS。
如何工作的?
在每個任務切換時，FreeRTOS記錄會切換到該任務所傳遞的時間(或消耗的時間)。為此，它在任務資訊結構中使用了一個32位計數器。這實際上是在“執行時”列下的“任務列表”命令顯示的計數器。然後根據總執行時的總數來計算百分比。
FreeRTOS內部的計數器值為32位，所以它不太適合長時間的測量。
為了修正這些數字，在FreeRTOSConfig.h中必須將兩個FreeRTOS配置定義為1。
#define configUSE_TRACE_FACILITY 1 /* 1: 包括額外的結構成員和功能，以協助執行視覺化和跟蹤，0: 沒有執行時狀態跟蹤*/
#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS 1 /* 1: 生成執行時統計; 0: 沒有執行時統計 */
如果使用處理器專家，上述兩個配置項有一個圖形化設定:
用於效能分析的處理器專家設定
計數器
如上所述:FreeRTOS記錄了每個任務所花費的時間。但這實際上不是實時的，如果configGENERATE_RUN_TIME_STATS開啟，它只是某種計時器的計數器值。在這種情況下，FreeRTOSConfig。h需要配置有兩個應用程式功能配置的巨集：
#define portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS() AppConfigureTimerForRuntimeStats()
#define portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE() AppGetRuntimeCounterValueFromISR()
第一個是在RTOS啟動時配置timer，第二個是返回實際的計時器計數器值。
一般的經驗法則是，用於測量任務的計時器應該比實際的滴答計數器快10倍。
處理器專家的使用者又有了一個優勢:他們可以在處理器專家設定中輕鬆地配置這樣的計時器，並且一切都得到了處理:
FreeRTOS的處理器專家計時器
下面是一個計時器的設定，它的執行速度是1 kHz RTOS計時器的10倍。
效能計數器
下面是產生的定時器程式碼:
/*
** ===================================================================
** 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。
如果中斷是從效能角度考慮的問題，並且不需要很高的精度，那麼處理器專家埠就有一個很好的特性:它不使用專用計時器，而是重新使用RTOS的滴答計時器。為此，有一個額外的設定來配置這個:
#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS_USE_TICKS 0 /* 1: 使用RTOS tick計數器作為執行時計數器。 0: 使用額外的
在UI中對應的設定如下:
使用Tick計數器
有了這些，我們可以做一些基本的測量。但這不適合測量短任務執行時間。說RTOS的計時器是1毫秒，那麼執行不到1毫秒的任務將很少被測量。
使用ARM Cortex迴圈計數器
另一種在ARM Cortex M（例如：Cortex-M4或M7）上測量執行時間的方法是使用ARM Cortex迴圈計數器。
#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;
}
這種方法測量迴圈計數器區別兩個呼叫AppGetRuntimeCounterValueFromISR()和基於價值的計數器計數。為了不過快地計算，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。對於執行速度更快或更慢的核心，您可能需要調整該值。
總結
FreeRTOS具有跟蹤任務執行時間的內建函式。它是在每個任務描述符中使用一個計數器實現的，因此不需要太多RAM。應用程式必須提供一個計數器，其速度通常比正常情況下要快10倍，以獲得一些合理的測量值。但是，即使使用tick計數器本身也會給出一些粗略的效能分析資料。否則，應用程式可以提供一個定期計時器計數器。如果使用臂皮質- m3 /M4/M7，使用手臂皮層迴圈計數器是另一種選擇，因為它不需要任何定時器或中斷。
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