ARM內核目標系統中的代碼運行時(shí)間測試

在A(yíng)RM系統中．有時(shí)需要精確的時(shí)間測量。通常，取時(shí)間的C函數(如gettime()等)不僅通用性差(必須包含頭文件DOS．H，且不支持Unix、Linux和標準C)，明顯不適用于A(yíng)RM系統；更成問(wèn)題的是，其最短時(shí)間只能到10-2秒級，不能提供更短的時(shí)間分度。根本原因在于：這類(lèi)函數是基于系統實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)的，而RTC通常采用標準化鐘表晶振，頻率只有32．768 kHz而已。
然而很多應用涉及μs級的時(shí)間計量，這是標準化了的RTC以及基于它的時(shí)間函數所無(wú)能為力的。筆者在移植DES算法到ARM系統的實(shí)驗過(guò)程中，便遇到過(guò)要定量評估加密算法耗時(shí)多少的問(wèn)題，發(fā)現的確不能用上述常規的C函數解決。經(jīng)對ARM芯片結構的考察，發(fā)現其內置的WatchDog系統是以系統時(shí)鐘驅動(dòng)的，定量性能應該很好，區分時(shí)間間隔的精細程度也應該足夠。于是根據所用ARM芯片的原廠(chǎng)家數據手冊中的說(shuō)明，借用WatchDog編寫(xiě)了自己的計時(shí)函數，使用起來(lái)也比較方便?？紤]到ARM芯片都帶有內置看門(mén)狗，筆者覺(jué)得這種方法可算是一個(gè)不錯的“過(guò)渡性”解決方案，故在此加以介紹，供同行們參考并指正。

1 測量原理
ARM芯片中的看門(mén)狗，其原始功能是監視CPU核心運行的某些超時(shí)。這些超時(shí)的發(fā)生，通常是因為干擾和系統錯誤等造成的程序運行混亂。一旦發(fā)生這類(lèi)情形，看門(mén)狗便請求中斷服務(wù)或發(fā)出復位脈沖重啟系統。為了達到這樣的目的，其計時(shí)原理必須獨立于系統中的任何進(jìn)程。實(shí)際上，WatchDog是獨立的硬件邏輯，其計時(shí)脈沖直接取自系統主時(shí)鐘，因此它與RTC一樣具備實(shí)時(shí)性和獨立性，借用看門(mén)狗的計時(shí)體系來(lái)實(shí)現高精度時(shí)間測量是合理的。
先以實(shí)驗中用到的S3C4480X為例(該實(shí)驗所用的ARM開(kāi)發(fā)板型號為NETARM300)，具體談?wù)効撮T(mén)狗的工作原理。其原理框圖如圖1所示，圖中MCLK即系統主時(shí)鐘。

從圖中可以看出，系統主時(shí)鐘MCLK經(jīng)過(guò)可編程預分頻、可選固定分頻后，進(jìn)入WTCNT(硬件系統的計時(shí)計數器，16位)計數。根據器件手冊，計數時(shí)間間隔t_watchdog=l／(MCLK／(Prescaler value+1)／Division_factor)。式中，參數Prescakr value的取值為O～28-l；Division_factor有16、32、64、128四種取值。如果復位信號輸出允許(即WTCON的位0置1)，那么一旦計數器WTCNT的計數超過(guò)WTDAT允許的范圍，看門(mén)狗就會(huì )將CPU復位。本實(shí)驗過(guò)程中屏蔽掉了這種復位和中斷請求功能，僅讓它對脈沖計數。
控制寄存器WTCON的有關(guān)各位定義圖中已給出(如需詳細解釋可查閱器件手冊，如參考文獻[3])，其他全為保留位，可全置為O。
至于MCLK具體值的計算，可以查驗系統中的晶振參數(頻率)，讀取系統時(shí)鐘的PLL寄存器(如S3C44BOX的PLLCON)后算得。計算的方法都已在具體ARM芯片手冊中給出。

2 測量算法實(shí)現和實(shí)驗結果
按照所需參數設置的看門(mén)狗定時(shí)器控制寄存器WT-CON的值(如前所述)，在待測代碼段執行之前開(kāi)啟看門(mén)狗定時(shí)器；等其執行完畢則關(guān)閉看門(mén)狗定時(shí)器，讀取WTCNT的值即可算得運行時(shí)間。作為一個(gè)具體示例，筆者實(shí)驗中所實(shí)現的算法如下：
(1)計時(shí)算法

(2)應用

需要指出：在改變WTCON的值之前應將原有值保存，待測量完成后再復原WTCON。之所以強調這一點(diǎn)，是因為系統別處很可能在使用看門(mén)狗功能。
實(shí)驗當中，對長(cháng)度為189字節的字符串采用3次DES加密。密鑰長(cháng)度為15位，測得的加密時(shí)間為28832μs，解密時(shí)間為28 896μs?？s短字符串長(cháng)度，測得的加密時(shí)間基本呈線(xiàn)性變化：字符串長(cháng)度為107字節而其他地方不變時(shí)，加密耗時(shí)16 928μs，解密耗時(shí)16 948μs；字符串長(cháng)度為41字節而其他地方不變時(shí)，加密耗時(shí)7 424μs，解密耗時(shí)7 424μs。對于相同長(cháng)度的字符串，密鑰長(cháng)度的改變對加密／解密時(shí)間的影響不是很大。
值得一提的是，剛開(kāi)始實(shí)驗時(shí)，被加密字符串分別取為190字節和75字節，測得耗時(shí)分別是34 032μs和16 928μs，顯然與倍增的關(guān)系相差很遠。分析程序后發(fā)現，原來(lái)問(wèn)題出在加密算法中間的打印語(yǔ)句“Uan_Printf(“＼ncounting begin...!!!”)”上。原來(lái)以為它耗時(shí)很少，故沒(méi)有將它從加密算法中移走；移走后再試，耗時(shí)大減，分別為29 600 μs和12 496μs，與字符數倍增、時(shí)間倍增的預期基本相符。上面的實(shí)驗，還使筆者得知該打印語(yǔ)句占用了4432μs。稍微修改條件，繼續實(shí)驗：當上述打印語(yǔ)句的字節數擴充為原來(lái)的4倍時(shí)，測得該語(yǔ)句耗時(shí)17728μs?？梢?jiàn)，耗時(shí)與打印內容的字節數基本上成正比；另外，這種打印語(yǔ)句與加密／解密算法本身相比，并不是想當然地只占用一點(diǎn)點(diǎn)時(shí)間。(上述數據與PC機串口通信波特率的設置無(wú)明顯關(guān)系。實(shí)際測試結果為：波特率由115 200bps下降到57 600 bps，沒(méi)有可以察覺(jué)到的差別。)

3 測量方法討論
ARM內置看門(mén)狗用作時(shí)間度量的適用范圍，大體以μs數量級為界。比如，從S3C44BOX的器件特性說(shuō)明中可知，MCLK在看門(mén)狗計時(shí)器里的分頻比至少是1／16。典型情況下，MCLK=60MHz，則看門(mén)狗能夠分辨的最短時(shí)間單元t=l/(60 MHz／16)=0．27μs。統計誤差約為t／2，即O．1μs數量級。就μs級的時(shí)間測量精度而言，相對誤差有可能達到1％～10％；不過(guò)，這對很多速度估算的場(chǎng)合來(lái)說(shuō)還是可以接受的。如果被測時(shí)間在10μs以上，那就沒(méi)有任何問(wèn)題，可以認為是相當精確的了。
這種思路還可用來(lái)實(shí)現精確延時(shí)，因為它的定時(shí)不依賴(lài)于指令執行時(shí)間(指令執行要受到系統調度等的影響，因而有很多不確定因素)，而取決于對主時(shí)鐘的硬件分頻計數。
由此實(shí)驗推廣，ARM內置看門(mén)狗可以作為此類(lèi)系統中的第二時(shí)鐘存在。對于那些時(shí)間要求精確到μs、RTC的精度無(wú)法滿(mǎn)足的應用，這種處理都不失為一種準確、高效的方法。