1.1 背景

在單片機的固件開發過程中，有的時候需要評估固件代碼的執行性能，會對部分關鍵程序代碼的執行時間進行測量。通常會用到的測量程序執行時間的方法是使用示波器進行測量。一般步驟是借助單片機的某一個GPIO口，假設默認情況下GPIO口置1；在需要測量的程序代碼開始處將GPIO口清0，然后執行程序代碼段，在代碼段的終止處將GPIO口重新置1；示波器設置成邊沿觸發方式，抓取GPIO口從清0到重新置1的這段波形，然后用示波器卡出GPIO口下降沿到上升沿的這段時間，也就是程序代碼段的執行時間。

以上方法的不足之處在于需要用到示波器，而且需要借用MCU的一個GPIO進行輔助測量，靈活性也欠佳，實際使用不是太方便。那有沒有更簡便的測量方法呢？答案是肯定的，那就是使用MCU的定時器進行程序執行時間的測量。當然，為了提高時間的測量精度，MCU需要使用外部晶振來為其提供工作主頻。下面就對該方法進行詳細講解。該方法結合下面提到的開發板，可以達到10ns以內的測量分辨率和1us以內的測量精度。

1.2 測試平臺

這里使用的開發環境和相關硬件如下。

• 操作系統：Ubuntu 20.04.2 LTS x86_64（使用uname -a命令查看）
• 集成開發環境（IDE）：Eclipse IDE for Embedded C/C++ Developers，Version: 2021-06 (4.20.0)
• 硬件開發板：STM32F429I-DISCO
• 本文對應的例程代碼鏈接如下。

https://download.csdn.net/download/goodrenze/85162425

1.3 使用STM32定時器測量程序執行時間的方法詳解

這里就結合開發板STM32F429I-DISCO上的STM32F429ZI單片機來演示使用SysTick系統定時器測量程序代碼段執行時間的實現方法。

使用SysTick系統定時器測量程序執行時間之前，必須先確認定時器的以下參數。

• 定時器的時鐘源頻率。
• 定時器的定時周期。
• 定時器的計數方向。

這里的代碼基于STM32F429I-DISCO開發板，該開發板的MCU外接8MHz的石英晶振，代碼使用該外部晶振經內部PLL倍頻后，產生168MHz的主頻供MCU使用。這里的SysTick系統定時器的時鐘源直接來自168MHz的主頻，對該頻率進行計數，所以每過1000 / 168 = 5.95238ns時間，定時器計數值就會加1。這里將SysTick定時器的定時周期設置成1ms，即每過1ms，SysTick定時器就會產生一次定時器中斷。另外，SysTick定時器是倒計數定時器，即其計數值是遞減的，當計數值減到為0時，繼續減1時會重新加載重裝載值并繼續計時，同時產生定時器溢出中斷。

確定了以上參數之后，后面的代碼實現就非常簡單了，只需要實現以下的幾個功能函數皆可。

1）SysTick系統定時器初始化函數和中斷處理函數。用于配置該定時器的定時周期為1ms，打開定時器中斷并啟動定時，同時實現對應的中斷處理函數使定時器計數值累加。程序代碼如下。

// 該函數為STM32的官方代碼
__weak HAL_StatusTypeDef HAL_InitTick(uint32_t TickPriority)
{
  /* Configure the SysTick to have interrupt in 1ms time basis*/
  if (HAL_SYSTICK_Config(SystemCoreClock / (1000U / uwTickFreq)) > 0U)
  {
    return HAL_ERROR;
  }


  /* Configure the SysTick IRQ priority */
  if (TickPriority < (1UL << __NVIC_PRIO_BITS))
  {
    HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, TickPriority, 0U);
    uwTickPrio = TickPriority;
  }
  else
  {
    return HAL_ERROR;
  }


  /* Return function status */
  return HAL_OK;
}


// 該函數為STM32的官方代碼，調用的SysTick_Config()函數在“core_cm4.h”頭文件中有現成的實現
uint32_t HAL_SYSTICK_Config(uint32_t TicksNumb)
{
   return SysTick_Config(TicksNumb);
}


// SysTick系統定時器中斷入口函數
void SysTick_Handler(void)
{
  HAL_IncTick();
}


// SysTick系統定時器中斷處理函數，對uwTick值進行累加
__weak void HAL_IncTick(void)
{
  uwTick += uwTickFreq;
}

2）獲取起始時間的函數。該函數用于獲取SysTick系統定時器當前的毫秒計數值，以及當前的定時器計數值。程序代碼如下。參數p_pdwStartMs為獲取到的起始毫秒計數值，p_pdwStartNsTicks為獲取到的起始定時器計數值。

void vGetStartTime(uint32_t* p_pdwStartMs, uint32_t* p_pdwStartNsTicks)
{
  *p_pdwStartMs = HAL_GetTick();
  *p_pdwStartNsTicks = SysTick->VAL;
}

3）獲取時間間隔的函數。該函數用于獲取當前時間相對于起始時間的時間間隔。程序代碼如下。參數p_dwStartMs為起始毫秒計數值，p_dwStartNsTicks為起始定時器計數值，p_pdwIntervalMs為當前時間相對于p_dwStartMs的毫秒時間間隔，p_pdwIntervalNsTicks為當前時間相對于p_dwStartNsTicks的定時器計數間隔。

void vGetIntervalTime(uint32_t p_dwStartMs, uint32_t p_dwStartNsTicks, uint32_t* p_pdwIntervalMs, uint32_t* p_pdwIntervalNsTicks)
{
  uint32_t l_dwCurMs = HAL_GetTick();
  uint32_t l_dwCurNsTicks = SysTick->VAL;
  uint32_t l_dwReloadValue = SysTick->LOAD;


  // STM32F429ZI的定時器為倒數定時器。
  // 如果當前的定時器計數值比起始計數值要小，SysTick未發生相對起始時刻不足1ms的定時器中斷，所以ms計數無需額外減1
  if(l_dwCurNsTicks <= p_dwStartNsTicks)
  {
    if(l_dwCurMs >= p_dwStartMs)
    {
      *p_pdwIntervalMs = l_dwCurMs - p_dwStartMs;
    }
    else
    {
      *p_pdwIntervalMs = ~(p_dwStartMs - l_dwCurMs) + 1;
    }
    *p_pdwIntervalNsTicks = p_dwStartNsTicks - l_dwCurNsTicks;
  }
  // 如果當前的定時器計數值比起始計數值要大，SysTick發生了相對起始時刻不足1ms的定時器中斷，所以ms計數需要額外減1
  else
  {
    if(l_dwCurMs >= p_dwStartMs)
    {
      *p_pdwIntervalMs = l_dwCurMs - p_dwStartMs - 1;
    }
    else
    {
      *p_pdwIntervalMs = ~(p_dwStartMs - l_dwCurMs);
    }
    *p_pdwIntervalNsTicks = p_dwStartNsTicks + (l_dwReloadValue - l_dwCurNsTicks) + 1;
  }
}

4）獲取程序代碼段執行時間的演示例程。用于演示如何使用以上提到的相關函數來測量程序代碼段的執行時間。

int main(void)
{
  uint32_t count = 0;
  uint32_t l_dwStartMs, l_dwIntervalMs;
  uint32_t l_dwStartNsTicks, l_dwIntervalNsTicks;
  float l_fUs;  // 微秒時間


  HAL_Init();


  /* Configure the system clock to 168 MHz */
  SystemClock_Config();


  BSP_LED_Init(LED3);
  BSP_LED_Init(LED4);


  vGetStartTime(&l_dwStartMs, &l_dwStartNsTicks);
#if 1
  while (1)
  {
    if (count == 0x3fffff)
    {
      BSP_LED_Toggle(LED3);
      BSP_LED_Toggle(LED4);
      count = 0;
      break;
    }
    count++;
  }
#else
  vDelayUs(1000);
#endif
  vGetIntervalTime(l_dwStartMs, l_dwStartNsTicks, &l_dwIntervalMs, &l_dwIntervalNsTicks);
  l_fUs = l_dwIntervalMs * 1000 + l_dwIntervalNsTicks * NS_PER_SYS_TICK / 1000.0f;


  while(1);
}

圖1 以上演示例程代碼段的執行時間

1.4 結語

通過以上提到的相關函數，可以很方便地實現程序執行時間的測量，而且可以在幾乎任何地方使用（中斷內部使用需注意中斷優先級的影響）。另外，如果結合串口打印調試信息的功能，可以直接將測量到的執行時間直接打印輸出，方便查看。本文提到的執行時間測量方法無需使用示波器，也不需要借用MCU的GPIO口進行輔助測量，使用起來非常方便。