使用FreeRTOS进行性能和运行时分析

Posted 2020-10-27 木南创智

在MCU on Eclipse网站上看到Erich Styger在2月25日发的博文，一篇关于使用FreeRTOS进行性能和运行分析的文章，本人觉得很有启发，特将其翻译过来以备参考。当然限于个人水平，有描述不当之处恳请指正。原文网址：https://mcuoneclipse.com/2018/02/25/performance-and-runtime-analysis-with-freertos/#more-23229

 

FreeRTOS操作系统的优点之一是它提供了免费的性能分析：它向我们展示在每个任务中花费了多少时间。最好的是：它在Eclipse中也以图形的方式显示了相应内容：

 

Eclipse中的FreeRTOS运行时信息

在上面的输出中，我看到我的应用程序现在是97.5%的空闲，这是一件好事，符合我的期望，因为这个机器人正等待着在轨道上运行。

如何获得这样的信息?

在Eclipse中的图形视图中需要一个Eclipse插件(请参阅Eclipse中更好的FreeRTOS调试)。该插件已经预先安装在NXP MCUXpresso IDE中。

另一种查看该信息的方法是使用“tasklist”命令，该命令将输出发送到控制台(Segger RTT, UART, USB或类似的)：

 

Tasklist命令

此命令可用于GitHub上的McuOnEclipse FreeRTOS。

如何工作的?

在每个任务切换时，FreeRTOS记录会切换到该任务所传递的时间(或消耗的时间)。为此，它在任务信息结构中使用了一个32位计数器。这实际上是在“运行时”列下的“任务列表”命令显示的计数器。然后根据总运行时的总数来计算百分比。

FreeRTOS内部的计数器值为32位，所以它不太适合长时间的测量。

为了修正这些数字，在FreeRTOSConfig.h中必须将两个FreeRTOS配置定义为1。

#define configUSE_TRACE_FACILITY 1 /* 1: 包括额外的结构成员和功能，以协助执行可视化和跟踪，0: 没有运行时状态跟踪*/

#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS 1 /* 1: 生成运行时统计; 0: 没有运行时统计 */

如果使用处理器专家，上述两个配置项有一个图形化设置:

 

用于性能分析的处理器专家设置

计数器

如上所述:FreeRTOS记录了每个任务所花费的时间。但这实际上不是实时的，如果configGENERATE_RUN_TIME_STATS打开，它只是某种计时器的计数器值。在这种情况下，FreeRTOSConfig。h需要配置有两个应用程序功能配置的宏：

#define portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS() AppConfigureTimerForRuntimeStats()

#define portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE()         AppGetRuntimeCounterValueFromISR()

第一个是在RTOS启动时配置timer，第二个是返回实际的计时器计数器值。

一般的经验法则是，用于测量任务的计时器应该比实际的滴答计数器快10倍。

处理器专家的用户又有了一个优势:他们可以在处理器专家设置中轻松地配置这样的计时器，并且一切都得到了处理:

 

FreeRTOS的处理器专家计时器

下面是一个计时器的设置，它的运行速度是1 kHz RTOS计时器的10倍。

 

性能计数器

下面是产生的定时器代码:

/*

** ===================================================================

**     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

}

中断服务例程计数一个计时器计数器，该计数器用于度量在任务中花费的时间。

如果中断是从性能角度考虑的问题，并且不需要很高的精度，那么处理器专家端口就有一个很好的特性:它不使用专用计时器，而是重新使用RTOS的滴答计时器。为此，有一个额外的设置来配置这个:

#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS_USE_TICKS 0 /* 1: 使用RTOS tick计数器作为运行时计数器。 0: 使用额外的

在UI中对应的设置如下:

 

使用Tick计数器

有了这些，我们可以做一些基本的测量。但这不适合测量短任务执行时间。说RTOS的计时器是1毫秒，那么运行不到1毫秒的任务将很少被测量。

使用ARM Cortex循环计数器

另一种在ARM Cortex M（例如：Cortex-M4或M7）上测量执行时间的方法是使用ARM Cortex循环计数器。

#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;

}

这种方法测量循环计数器区别两个调用AppGetRuntimeCounterValueFromISR()和基于价值的计数器计数。为了不过快地计算，计数器的值在上面的实现(使用120 MHz ARM的Cortex-M4)上按12位的偏移量缩小。对于运行速度更快或更慢的内核，您可能需要调整该值。

总结

FreeRTOS具有跟踪任务执行时间的内置函数。它是在每个任务描述符中使用一个计数器实现的，因此不需要太多RAM。应用程序必须提供一个计数器，其速度通常比正常情况下要快10倍，以获得一些合理的测量值。但是，即使使用tick计数器本身也会给出一些粗略的性能分析数据。否则，应用程序可以提供一个定期计时器计数器。如果使用臂皮质- m3 /M4/M7，使用手臂皮层循环计数器是另一种选择，因为它不需要任何定时器或中断。

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