嵌入式中代码执行时间测量的几种方法

在嵌入式开发中，性能优化是一个永恒的话题。无论是实时控制系统还是电池供电设备，准确测量代码执行时间都是优化的第一步。今天我们就来聊聊几种实用的测量方法，让你的代码性能一目了然。

为什么要测量执行时间？

想象一下，你正在开发一个电机控制系统，控制周期要求在1毫秒内完成。如果不知道每个函数的执行时间，就像盲人摸象一样，很难找到性能瓶颈。

测量执行时间的主要目的：

• • 性能优化：找出最耗时的代码段
• • 实时性验证：确保关键任务在规定时间内完成
• • 功耗分析：执行时间直接影响CPU功耗
• • 系统调试：定位异常延迟的根源

方法一：GPIO引脚翻转法

这是最直观、最常用的方法。通过在代码段前后翻转GPIO引脚，用示波器或逻辑分析仪观察波形。

实现代码：

// 测量函数执行时间voidmeasure_function_time() {// 设置测试引脚为高电平    HAL_GPIO_WritePin(TEST_GPIO_Port, TEST_Pin, GPIO_PIN_SET);// 被测试的代码段    target_function();// 设置测试引脚为低电平    HAL_GPIO_WritePin(TEST_GPIO_Port, TEST_Pin, GPIO_PIN_RESET);}

优势：

• • 直观可见，波形清晰
• • 不占用系统资源
• • 可以同时测量多个代码段（使用不同引脚）

注意事项：

• • GPIO操作本身也有时间开销（通常1-2个时钟周期）
• • 需要外部测量设备
• • 在最终产品中需要移除测试代码

实际案例：在一个电机控制项目中，使用此方法发现PID计算函数耗时15微秒，而原本预期只有5微秒，通过优化浮点运算最终降到8微秒。

方法二：系统定时器法

利用系统内置的高精度定时器进行测量，这是最精确的软件测量方法。

实现代码：

// 使用系统滴答定时器测量uint32_tmeasure_execution_time() {uint32_t start_time, end_time;// 获取开始时间（微秒级）    start_time = HAL_GetTick() * 1000 + (SysTick->LOAD - SysTick->VAL) / (SystemCoreClock / 1000000);// 执行被测代码    target_function();// 获取结束时间    end_time = HAL_GetTick() * 1000 + (SysTick->LOAD - SysTick->VAL) / (SystemCoreClock / 1000000);return end_time - start_time; // 返回微秒数}// 使用专用定时器测量（更高精度）uint32_tprecise_time_measurement() {uint32_t start_cycles, end_cycles;// 启动定时器    __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim2, 0);    HAL_TIM_Base_Start(&htim2);    start_cycles = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2);// 执行被测代码    target_function();    end_cycles = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2);    HAL_TIM_Base_Stop(&htim2);// 转换为微秒（假设定时器频率为1MHz）return end_cycles - start_cycles;}

优势：

• • 精度高，可达时钟周期级别
• • 不需要外部设备
• • 可以在代码中直接获取数值

局限性：

• • 测量代码本身有开销
• • 受中断影响较大
• • 定时器溢出需要特殊处理

方法三：CPU周期计数法

对于ARM Cortex-M系列，可以使用DWT（Data Watchpoint and Trace）单元进行精确测量。

实现代码：

// 初始化DWTvoiddwt_init() {    CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;    DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;    DWT->CYCCNT = 0;}// 测量CPU周期数uint32_tmeasure_cpu_cycles() {uint32_t start_cycles, end_cycles;    start_cycles = DWT->CYCCNT;// 执行被测代码    target_function();    end_cycles = DWT->CYCCNT;return end_cycles - start_cycles;}// 转换为时间（微秒）floatcycles_to_microseconds(uint32_t cycles) {return (float)cycles / (SystemCoreClock / 1000000.0f);}

数据示例：在72MHz的STM32F103上，一个简单的加法运算通常需要1-2个CPU周期，约0.014-0.028微秒。

方法四：软件性能分析器

现代IDE通常集成了性能分析工具，可以进行更全面的分析。