Cortex-M4测量函数执行耗时两种方法的优缺点对比

在搭载Cortex-M4内核的SOC上测量函数执行耗时，你找到的两种方案都是内核寄存器级的原生实现，不需要外挂外设，各自的适用场景、优劣势差异很明显：

方案1：基于DWT_CYCCNT周期计数器实现 #

参考实现代码如下：

REGISTER(DEMCR_ADDR) |= 1 << 24 ; // 开启DWT组件的TRACE访问权限
REGISTER(DWT_CTRL) |= 1; // 启动CYCCNT计数
startTime = REGISTER(DWT_CYCCNT);
// 运行待测量的目标函数/逻辑
elapsedTime = REGISTER(DWT_CYCCNT) - startTime;
REGISTER(DWT_CTRL) &= ~1; // 关闭DWT计数

优势 #

• 精度为单个CPU时钟周期，是Cortex-M平台能达到的最高计时精度，测量纳秒级、微秒级的短函数时几乎没有精度损失
• 计数过程完全不产生中断，测量逻辑本身不会触发上下文切换、中断进出栈等额外开销，对被测代码的运行干扰极小
• CYCCNT是32位递增计数器，以Cortex-M4常见的168MHz主频计算，单次计数溢出周期约25秒，覆盖绝大多数普通函数的执行时长范围，短时间测量不需要额外写溢出处理逻辑
• 整个测量过程不需要修改SysTick的原有配置，不会和已经占用SysTick做系统节拍的RTOS、裸机延时组件产生冲突，接入成本极低

缺陷 #

• DWT属于内核调试组件，部分车规、高安全等级的量产SOC会永久锁死DWT的访问权限，量产固件中可能无法正常开启该功能
• DWT计数的时钟和内核时钟绑定，当CPU进入休眠停钟、动态降频场景时，DWT计数会随内核时钟暂停/变慢，测量结果和实际墙钟时间会有偏差，不适合带低功耗逻辑的长流程测量
• 原生配置没有溢出中断支持，如果要测量超过25秒（168MHz主频下）的长流程，需要额外实现轮询溢出的逻辑，使用起来不如带中断的定时器方便

方案2：基于SysTick系统定时器实现 #

参考实现代码如下，注意原示例里的耗时计算逻辑存在错误：SysTick是递减计数器，正确的计数值差应该用初始值减去结束值，否则会得到负数结果：

// 测量前初始化
SysTick->LOAD  = SysTick_LOAD_RELOAD_Msk;                         /* 配置重装载值为计数器最大量程 */
SysTick->VAL   = 0UL;                                             /* 清零当前计数 */
SysTick->CTRL  = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |
                 SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;                         /* 选择内核时钟作为时钟源，启动定时器 */

startTime = SysTick->VAL;
// 运行待测量的目标函数/逻辑
elapsedTime = startTime - SysTick->VAL; // 原示例写为SysTick->VAL - startTime为逻辑错误

// 测量结束后复位寄存器
SysTick->LOAD  = SysTick_LOAD_RELOAD_Msk;                         
SysTick->VAL   = 0UL;                                             
SysTick->CTRL  = 0UL; // 关闭SysTick

优势 #

• SysTick是Cortex-M架构强制要求标配的内核外设，所有量产Cortex-M4芯片100%支持，不存在DWT那样被厂商锁死无法访问的问题，兼容性最好
• 自带溢出中断功能，即使测量数分钟级别的长流程，只需要在中断服务函数里累加溢出次数就能实现无回绕的连续计时，长时测量逻辑实现简单
• 时钟源可配置，既可以选内核时钟，也可以选外部常开门的参考时钟，部分低功耗场景下即使内核休眠停钟，也能通过外部时钟获得准确的墙钟时间

缺陷 #

• 直接操作SysTick寄存器做测量会覆盖系统原有配置：绝大多数裸机框架、RTOS都依赖SysTick产生系统调度节拍、毫秒级延时，测量过程中修改SysTick配置会直接导致系统延时不准、任务调度异常，除非系统专门预留了计时接口，否则适配成本很高
• SysTick的计数寄存器只有24位，配置为最大量程时，以168MHz主频计算单次无溢出计数窗口仅约0.1秒，测量执行时间稍长的函数就必须处理溢出，否则结果完全错误
• 如果开启SysTick中断处理溢出，中断响应、进出栈的固定开销会给被测流程引入额外误差，测量微秒级短函数时，这个误差的占比会非常高，结果参考价值低
• 测量初始化和收尾需要操作3个寄存器，测量逻辑本身的代码开销比DWT方案高，测极短函数时，测量代码本身的耗时占比更明显，容易拉高结果误差

内容的提问来源于stack exchange，提问作者RDF