uCOS-III 学习记录——时间戳

Posted 2022-02-12 Mount256

参考内容：《[野火]uCOS-III内核实现与应用开发实战指南——基于STM32》第 9 章。

文章目录

• • 1 时间戳
  • 2 DWT 外设
  • • 2.1 DWT 外设简介
    • 2.2 初始化 DWT 的步骤
    • 2.3 DWT 外设的宏定义（cpu_core.c）
  • 3 CPU 和时间戳的初始化
  • • 3.1 时间戳的相关定义（cpu_core.h）
    • • 3.1.1 通过宏定义开启/关闭时间戳功能
      • 3.1.2 时间戳的数据类型定义
      • 3.1.3 时间戳的全局变量定义——CPU_TS_TmrFreq_Hz
    • 3.2 时间戳的初始化
    • • 3.2.1 CPU 初始化函数 CPU_Init()（cpu_core.c）
      • 3.2.2 时间戳初始化函数 CPU_TS_Init()（cpu_core.c）
      • 3.2.3 时间戳定时器初始化函数 CPU_TS_TmrInit()（cpu_core.c）
    • 3.3 初始化系统时钟
    • • 3.3.1 获取 CPU 的 HCLK 时钟 BSP_CPU_ClkFreq()（cpu_core.c）
      • 3.3.2 获取系统时钟 CPU_TS_TmrFreqSet()（cpu_core.c）
    • 3.4 获取 CYCCNT 计数器 CPU_TS_TmrRd()（cpu_core.c）
  • 4 时间戳的使用
  • • 4.1 使能时间戳（os_cfg.h 和 os_cpu.h）
    • 4.2 主函数（app.c）

1 时间戳

在 uCOS 中，如果要测量一段代码 A 的时间，那么可以在代码段 A 运行前记录一个时间点 TimeStart，在代码段 A 运行完记录一个时间点 TimeEnd，那么代码段 A 的运行时间 TimeUse 就等于 TimeEnd 减去 TimeStart。这里面的两个时间点 TimeEnd 和 TimeStart，就叫作时间戳（Timestamp，简称ts），时间戳实际上就是一个时间点。

比如，在下面的代码中，在需要开始测量的地方调用OS_TS_GET()，在需要结束测量的地方再次调用OS_TS_GET()，则两次调用之间的代码即为被测量的时间长度。

TimeStart = OS_TS_GET();
OSTimeDly (20);	
TimeEnd = OS_TS_GET();
TimeUse = TimeEnd - TimeStart;

如果 Tick = 10ms，那么 TimeUse 测量到的是 200ms。

现在的问题是：如何实现时间戳呢？DWT 要出场了。

2 DWT 外设

2.1 DWT 外设简介

在 uCOS 中，我们已经使用了 SysTick 作为系统的时间片，所以不能再使用 SysTick 来实现时间戳了。在 Cortex-M3 中有一个调试组件，其中有一个组件是跟踪组件，叫数据观察点与跟踪（Data Watchpoint and Trace，DWT）外设，该外设有一个 32 位寄存器 CYCCNT，它是一个向上的计数器，记录的是内核时钟 HCLK 运行的个数，当 CYCCNT 溢出之后，会清零重新开始向上计数。该计数器在 uCOS 中正好被用来实现时间戳的功能。

在 STM32F103 系列的单片机中，HCLK 时钟最高为 72M，单个时钟的周期为 1/72us = 0.0139us = 14ns，CYCCNT 总共能记录的时间为 2^32 * 14 = 60s。在 uCOS 中，要测量的时间都是很短的，都是 ms 级别，根本不需要考虑定时器溢出的问题。如果内核代码执行的时间超过 s 的级别，那就背离了实时操作系统实时的设计初衷了，没有意义。

2.2 初始化 DWT 的步骤

• 使能 DWT 外设：由内核调试寄存器 DEMCR（地址：0xE000EDFC）的位 24 控制，写入 1 表示开启 DWT 外设。
• 初始化 DWT_CYCCNT 寄存器：将 DWT_CYCCNT（地址：0xE0001004）寄存器清零。
• 启用 DWT_CYCCNT 寄存器：由 DWT_CTRL（地址：0xE0001000）寄存器的位 0（CYCCNTENA）控制，写入 1 表示开启 DWT_CYCCNT 寄存器。

2.3 DWT 外设的宏定义（cpu_core.c）

为了提高代码的可读性和易修改性，将与 DWT 外设有关的地址和掩码定义为宏定义，如下所示：

/*
*********************************************************************************************************
*                                             寄存器定义
*********************************************************************************************************
*/
#define  BSP_REG_DEM_CR                       (*(CPU_REG32 *)0xE000EDFC)    // DEMCR的地址
#define  BSP_REG_DWT_CR                       (*(CPU_REG32 *)0xE0001000)    // DWT_CTRL的地址
#define  BSP_REG_DWT_CYCCNT                   (*(CPU_REG32 *)0xE0001004)    // DWT_CYCCNT的地址
#define  BSP_REG_DBGMCU_CR                    (*(CPU_REG32 *)0xE0042004)    // 未用到，先忽略

/*
*********************************************************************************************************
*                                            寄存器位定义
*********************************************************************************************************
*/
#define  BSP_DBGMCU_CR_TRACE_IOEN_MASK                   0x10       // 这些暂时用不到，可先忽略
#define  BSP_DBGMCU_CR_TRACE_MODE_ASYNC                  0x00
#define  BSP_DBGMCU_CR_TRACE_MODE_SYNC_01                0x40
#define  BSP_DBGMCU_CR_TRACE_MODE_SYNC_02                0x80
#define  BSP_DBGMCU_CR_TRACE_MODE_SYNC_04                0xC0
#define  BSP_DBGMCU_CR_TRACE_MODE_MASK                   0xC0

#define  BSP_BIT_DEM_CR_TRCENA                          (1<<24)     // DEMCR的位24置1 

#define  BSP_BIT_DWT_CR_CYCCNTENA                       (1<<0)      // DWT_CTRL的位0置1

3 CPU 和时间戳的初始化

如何开启时间戳？这个问题的本质就是如何开启 DWT 外设和 CYCCNT 寄存器。基本思路是：首先，按照上述步骤开启 DWT 和 CYCCNT，然后

3.1 时间戳的相关定义（cpu_core.h）

3.1.1 通过宏定义开启/关闭时间戳功能

uCOS 实现了很多功能，但很多时候，有些功能用不到，我们并不需要那么长的代码。于是，我们可以在 H 文件中通过宏定义开启或关闭某些功能，这样就能达到裁剪的目的。

在 cpu_core.h 中定义了使能时间戳的宏定义，如下所示（其中 CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN 与测量中断时间有关，可先忽略）：

/**********************************开启/关闭***************************************************/
	
/* 是否开启时间戳？ */
#if ((CPU_CFG_TS_32_EN == DEF_ENABLED) || (CPU_CFG_TS_64_EN == DEF_ENABLED))
#define	CPU_CFG_TS_EN	DEF_ENABLED
#else
#define CPU_CFG_TS_EN	DEF_DISABLED
#endif

/* 是否开启时间戳定时器？ */
#if ((CPU_CFG_TS_EN == DEF_ENABLED) || defined(CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN))
#define	CPU_CFG_TS_TMR_EN	DEF_ENABLED
#else
#define CPU_CFG_TS_TMR_EN	DEF_DISABLED
#endif

这些宏定义怎么用呢？待会可以参考下面几节的代码，你就明白了。

3.1.2 时间戳的数据类型定义

typedef CPU_INT32U	CPU_TS32;
typedef CPU_INT32U	CPU_TS_TMR_FREQ;
typedef	CPU_TS32	CPU_TS;
typedef	CPU_INT32U	CPU_TS_TMR;

3.1.3 时间戳的全局变量定义——CPU_TS_TmrFreq_Hz

CPU_TS_TmrFreq_Hz是一个 32 位的全局变量，用来记录 CPU 的系统时钟频率。

#if (CPU_CFG_TS_TMR_EN == DEF_ENABLED)
CPU_CORE_EXT	CPU_TS_TMR_FREQ		CPU_TS_TmrFreq_Hz;
#endif

3.2 时间戳的初始化

3.2.1 CPU 初始化函数 CPU_Init()（cpu_core.c）

该函数实现的功能：

• 初始化时间戳。
• 初始化中断禁用时间测量。（目前未实现）
• 初始化 CPU 名字。（目前未实现）

/* CPU 初始化函数 */
void CPU_Init (void)

#if ((CPU_CFG_TS_EN == DEF_ENABLED) || (CPU_CFG_TS_TMR_EN == DEF_ENABLED))
	CPU_TS_Init();		/* 时间戳初始化函数 */
#endif

发现时间戳初始化函数被包在了条件编译中，当我们没有定义 CPU_CFG_TS_EN 为 DEF_ENABLED 时，这段代码将不会出现在执行中，这样就能实现代码的裁剪了。

3.2.2 时间戳初始化函数 CPU_TS_Init()（cpu_core.c）

该函数实现的功能是：

• 清零 CPU_TS_TmrFreq_Hz。
• 初始化时间戳定时器。

/* 时间戳初始化函数 */
#if ((CPU_CFG_TS_EN == DEF_ENABLED) || (CPU_CFG_TS_TMR_EN == DEF_ENABLED))
static void CPU_TS_Init (void)

#if (CPU_CFG_TS_TMR_EN == DEF_ENABLED)
	CPU_TS_TmrFreq_Hz = 0u;		/* CPU 系统时钟 */
	CPU_TS_TmrInit();
#endif	

#endif

3.2.3 时间戳定时器初始化函数 CPU_TS_TmrInit()（cpu_core.c）

这个函数的功能是：

• 开启 CYCCNT 计数器开始计数。
• 获取时钟源BSP_CPU_ClkFreq()，并将它作为系统 OS 的时钟源CPU_TS_TmrFreqSet()。这部分是下一节的内容。

/* 时间戳定时器初始化函数 */
#if (CPU_CFG_TS_TMR_EN == DEF_ENABLED)
void CPU_TS_TmrInit (void)

	CPU_INT32U fclk_freq;
	fclk_freq = BSP_CPU_ClkFreq();
	
	BSP_REG_DEM_CR |= BSP_BIT_DEM_CR_TRCENA;		/* 启用 DWT 外设 */
	BSP_REG_DWT_CYCCNT = (CPU_INT32U) 0u;			/* DWT CYCCNT 寄存器计数清零 */
	BSP_REG_DBGMCU_CR |= BSP_BIT_DWT_CR_CYCCNTENA;	/* 启用 DWT CYCCNT 计数器 */
	
	CPU_TS_TmrFreqSet ((CPU_TS_TMR_FREQ) fclk_freq);

#endif

3.3 初始化系统时钟

3.3.1 获取 CPU 的 HCLK 时钟 BSP_CPU_ClkFreq()（cpu_core.c）

这个函数的功能是：

• 获得芯片或 CPU 的时钟源，并返回。当然，因为我们使用的是软件仿真，所以直接返回自己设定的时钟频率。

/* 获取 CPU 的 HCLK 时钟，理应是在硬件中获取的，但是为了软件仿真，直接手动配置 */
CPU_INT32U BSP_CPU_ClkFreq (void)

#if 0
	RCC_ClocksTypeDef rcc_clocks;
	RCC_GetClocksFreq (&rcc_clocks);
	return ((CPU_INT32U)rcc_clocks.HCLK_Frequency);
#else
	CPU_INT32U CPU_HCLK;
	CPU_HCLK = 25000000;
	return CPU_HCLK;
#endif

获取 CPU 的时钟源后，需要将其作为系统的时钟。

3.3.2 获取系统时钟 CPU_TS_TmrFreqSet()（cpu_core.c）

该函数用于初始化系统 OS 的时钟，具体做法是将时钟源频率freq_hz赋值给全局变量CPU_TS_TmrFreq_Hz。

/* 初始化 OS 系统时钟 */
#if (CPU_CFG_TS_TMR_EN == DEF_ENABLED)
void CPU_TS_TmrFreqSet (CPU_TS_TMR_FREQ freq_hz)

	CPU_TS_TmrFreq_Hz = freq_hz;

#endif

3.4 获取 CYCCNT 计数器 CPU_TS_TmrRd()（cpu_core.c）

该函数用于返回 CYCCNT 计数器的值。

/* 获得 DWT 的 CYCCNT */
#if (CPU_CFG_TS_TMR_EN == DEF_ENABLED)
CPU_TS_TMR CPU_TS_TmrRd (void)

	CPU_TS_TMR ts_tmr_cnts;
	ts_tmr_cnts = (CPU_TS_TMR)BSP_REG_DWT_CYCCNT;
	return ts_tmr_cnts;

#endif

现在，所有功能都已实现完毕，万事俱备只欠东风。

4 时间戳的使用

4.1 使能时间戳（os_cfg.h 和 os_cpu.h）

在 os_cfg.h 中使能时间戳：

/* 使能时间戳 */
#define OS_CFG_TS_EN		1u

一旦OS_CFG_TS_EN定义为 1u，那么在 os_cpu.h 里，OS_TS_GET会被定义：

#if	(OS_CFG_TS_EN == 1u)
#define OS_TS_GET()				(CPU_TS)CPU_TS_TmrRd()
#else
#define OS_TS_GET()				(CPU_TS)0u
#endif

OS_TS_GET将 CPU 底层的函数CPU_TS_TmrRd()重新取个名字封装，供内核和用户函数使用。

4.2 主函数（app.c）

在 app.c 中，在 main 函数中加入 CPU 初始化函数，在 Task1 中加入时间戳的测量。

#include "ARMCM3.h"
#include "os.h"

#define  TASK1_STK_SIZE       20
#define  TASK2_STK_SIZE       20

static   CPU_STK   Task1Stk[TASK1_STK_SIZE];
static   CPU_STK   Task2Stk[TASK2_STK_SIZE];

static   OS_TCB    Task1TCB;
static   OS_TCB    Task2TCB;

uint32_t flag1;
uint32_t flag2;

uint32_t TimeStart;
uint32_t TimeEnd;
uint32_t TimeUse;

void Task1 (void *p_arg);
void Task2 (void *p_arg);
void delay(uint32_t count);

int main (void)

	OS_ERR err;
	
	/* 初始化相关的全局变量，创建空闲任务 */
	OSInit(&err);
	
	/* <----- CPU 初始化：初始化时间戳 */
	CPU_Init();
	
	/* 关中断，因为此时 OS 未启动，若开启中断，那么 SysTick 将会引发中断 */
	CPU_IntDis();
	
	/* 初始化 SysTick，配置 SysTick 为 10ms 中断一次，Tick = 10ms */
	OS_CPU_SysTickInit(10);
	
	/* 创建任务 */
	OSTaskCreate ((OS_TCB*)      &Task1TCB, 
	              (OS_TASK_PTR) Task1, 
	              (void *)       0,
	              (CPU_STK*)     &Task1Stk[0],
	              (CPU_STK_SIZE) TASK1_STK_SIZE,
	              (OS_ERR *)     &err);

	OSTaskCreate ((OS_TCB*)      &Task2TCB, 
	              (OS_TASK_PTR) Task2, 
	              (void *)       0,
	              (CPU_STK*)     &Task2Stk[0],
	              (CPU_STK_SIZE) TASK2_STK_SIZE,
	              (OS_ERR *)     &err);
				  
	/* 将任务加入到就绪列表 */
	OSRdyList[0].HeadPtr = &Task1TCB;
	OSRdyList[1].HeadPtr = &Task2TCB;
	
	/* 启动OS，将不再返回 */				
	OSStart(&err);


void Task1 (void *p_arg)

	for (;;)
	
		flag1 = 1;
		TimeStart = OS_TS_GET();            /* <----- */
		OSTimeDly (20);	
		TimeEnd = OS_TS_GET();              /* <----- */
		TimeUse = TimeEnd - TimeStart;      /* <----- */
		flag1 = 0;
		OSTimeDly (5);
	


void Task2 (void *p_arg)

	for (;;)
	
		flag2 = 1;
		OSTimeDly (5);		
		flag2 = 0;
		OSTimeDly (5);
	

让我们来看看初始化的运行流程：

• CPU 进行初始化：运行CPU_Init()，然后运行时间戳初始化函数CPU_TS_Init()。
• 时间戳进行初始化：先将记录系统时钟的全局变量CPU_TS_TmrFreq_Hz清零，然后初始化时间戳定时器（即计数器）CPU_TS_TmrInit()。
• 初始化计数器：启用 DWT 和 CYCCNT，并将其清零，然后获取 CPU（芯片）的时钟源，将其赋值给CPU_TS_TmrFreq_Hz作为系统时钟源。
• 运行BSP_CPU_ClkFreq，获取时钟源。
• 此时，CPU 已经初始化完毕，CYCCNT 开始计数工作。

在任务 Task1 中：

• 调用CPU_TS_TmrRd，获得第一个时间戳，赋值给 TimeStart。
• 执行 A 代码。
• 再次调用CPU_TS_TmrRd，获得第二个时间戳，赋值给 TimeEnd。
• 两值相减，再乘以系统时钟源频率（CPU_TS_TmrFreq_Hz），得到的就是代码 A 的真实运行时间。