ARM內(nèi)核目標(biāo)系統(tǒng)中的代碼運(yùn)行時間測試.

1、ARM 內(nèi)核目標(biāo)系統(tǒng)中的代碼運(yùn)行時間測試摘要很多測量時間的 C 函數(shù)在 ARM 中都不能使用。某些能使用的，也是基于系 統(tǒng)實時時鐘（RTC），故最短時間單位只能達(dá)到 10-2S。作為一種通用的精密計時 方法，為了取得更精細(xì)的時間度量，可以考慮啟用ARMS片內(nèi)置的 WatchDog 實現(xiàn)擴(kuò)展了的實時時鐘功能，并推廣到程序精確延時的用途，彌補(bǔ)現(xiàn)有C 函數(shù)的不足。本文對此作出分析，并給出了具體的實驗描述。關(guān)鍵詞精確時間測量精 密計時ARM 實時時鐘擴(kuò)展看門狗在 ARM 系統(tǒng)中有時需要精確的時間測量。 摘要 很多測量時間的 C 函數(shù)在 ARM 中都不能使用。某些能使用的，也是基于系 統(tǒng)實時時鐘（RTC

2、，故最短時間單位只能達(dá)到 10-2S。作為一種通用的精密計時 方法，為了取得更精細(xì)的時間度量，可以考慮啟用ARM 芯片內(nèi)置的 WatchDog 實現(xiàn)擴(kuò)展了的實時時鐘功能，并推廣到程序精確延時的用途，彌補(bǔ)現(xiàn)有C 函數(shù)的不足。本文對此作出分析，并給出了具體的實驗描述。關(guān)鍵詞 精確時間測量精密計時 ARM 實時時鐘擴(kuò)展 看門狗在 ARM 系統(tǒng)中有時需要精確的時間測量。通常，取時間的C 函數(shù)（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(biāo)準(zhǔn) C），明顯不適用于 ARM 系統(tǒng)；更成問題的是，其最短時間只能到10-2秒級， 不能提供更短的時間分度。

3、根本原因在于： 這類函數(shù)是基于系統(tǒng)實時時 鐘 （RTC）的，而 RTC 通常采用標(biāo)準(zhǔn)化鐘表晶振，頻率只有 32. 768 kHz 而已。然而很多應(yīng)用涉及 卩 s 級的時間計量，這是標(biāo)準(zhǔn)化了的 RTC 以及基于它 的時間函數(shù)所無能為力的。筆者在移植 DES 算法到 ARM 系統(tǒng)的實驗過程中，便 遇到過要定量評估加密算法耗時多少的問題，發(fā)現(xiàn)的確不能用上述常規(guī)的C 函數(shù)解決。經(jīng)對 ARM 芯片結(jié)構(gòu)的考察，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)置的 WatchDog 系統(tǒng)是以系統(tǒng)時鐘 驅(qū)動的，定量性能應(yīng)該很好，區(qū)分時間間隔的精細(xì)程度也應(yīng)該足夠。于是根據(jù) 所用 ARM芯片的原廠家數(shù)據(jù)手冊中的說明，借用 WatchDog 編寫了自己的

4、計時函 數(shù)，使用起來也比較方便?？紤]到 ARM 芯片都帶有內(nèi)置看門狗，筆者覺得這種 方法可算是一個不錯的“過渡性”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 芯片中的看門狗，其原始功能是監(jiān)視 CPU 核心運(yùn)行的某些超時。這 些超時的發(fā)生，通常是因為干擾和系統(tǒng)錯誤等造成的程序運(yùn)行混亂。一旦發(fā)生 這類情形，看門狗便請求中斷服務(wù)或發(fā)出復(fù)位脈沖重啟系統(tǒng)。為了達(dá)到這樣的 目的，其計時原理必須獨(dú)立于系統(tǒng)中的任何進(jìn)程。實際上，WatchDog 是獨(dú)立的硬件邏輯，其計時脈沖直接取自系統(tǒng)主時鐘，因此它與RTC 樣具備實時性和獨(dú)立性，借用看門狗的計時體系來實現(xiàn)高精度時間測量是合理的。先以實

5、驗中用到的 S3C4480X 為例（該實驗所用的 ARh 開發(fā)板型號為NETARM3O0）具體談?wù)効撮T狗的工作原理。其原理框圖如圖 1 所示，圖中 MCLK即系統(tǒng)主時鐘。從圖中可以看出，系統(tǒng)主時鐘 MCLK 經(jīng)過可編程預(yù)分頻、可選固定分頻 后，進(jìn)入 WTCNT 硬件系統(tǒng)的計時計數(shù)器，16 位）計數(shù)。根據(jù)器件手冊，計數(shù)時 間間隔t_watchdog=l （M C L K（Prescaler value+1） Division_factor）。式中，參數(shù) Prescakr value 的取值為 O 28-1 ; Division_factor 有 16、32、 64、128四種取值。如果復(fù)位信號輸

6、出允許（即 WTCO的位 0 置 1），那么一旦計 數(shù)器 WTCN的計數(shù)超過 WTDA 允許的范圍，看門狗就會將 CPU 復(fù)位。本實驗過 程中屏蔽掉了這種復(fù)位和中斷請求功能，僅讓它對脈沖計數(shù)?？刂萍拇嫫?WTCO 的有關(guān)各位定義圖中已給出（如需詳細(xì)解釋可查閱器 件手冊，如參考文獻(xiàn) 3） ，其他全為保留位，可全置為 O。至于 MCLI 具體值的計算，可以查驗系統(tǒng)中的晶振參數(shù)（頻率），讀取系 統(tǒng)時鐘的 PLL 寄存器（如 S3C44BOX 勺 PLLCON 后算得。 計算的方法都已在具體 ARMS片手冊中給出。2 測量算法實現(xiàn)和實驗結(jié)果按照所需參數(shù)設(shè)置的看門狗 定時器控制寄存器 WT-CO 的值（

7、如前所 述），在待測代碼段執(zhí)行之前開啟看門狗定時器；等其執(zhí)行完畢則關(guān)閉看門狗定 時器，讀取WTCN 的值即可算得運(yùn)行時間。作為一個具體示例，筆者實驗中所 實現(xiàn)的算法如下：（1） 計時算法（2） 應(yīng)用需要指出：在改變 WTCO 的值之前應(yīng)將原有值保存，待測量完成后再復(fù) 原WTCON 之所以強(qiáng)調(diào)這一點，是因為系統(tǒng)別處很可能在使用看門狗功能。實驗當(dāng)中，對長度為 189 字節(jié)的字符串采用 3 次 DES 加密。密鑰長度為 15位，測得的加密時間為 28832 卩 s，解密時間為 28 896 卩 s?？s短字符串長 度，測得的加密時間基本呈線性變化：字符串長度為 1 07 字節(jié)而其他地方不變 時，加密耗

8、時16 928 卩 s,解密耗時 16 948 卩 s；字符串長度為 41 字節(jié)而其他 地方不變時，加密耗時 7 424 卩 s，解密耗時 7 424 卩 s。對于相同長度的字符 串，密鑰長度的改變對加密解密時間的影響不是很大。值得一提的是，剛開始實驗時，被加密字符串分別取為 190 字節(jié)和 75 字節(jié)，測得耗時分別是 34 032 卩 s 和 16 928 卩 s,顯然與倍增的關(guān)系相差很 遠(yuǎn)。分析程序后發(fā)現(xiàn)，原來問題出在加密算法中間的打印語句“ Uan_Pri ntf（ “ncou nting begi n.!”）”上。原來以為它耗時很少，故沒有將它從加密算法中移走；移走后再試，耗時大減，分

9、別為 29 600 卩 s 和 12 496卩 s,與字符數(shù)倍增、時間倍增的預(yù)期基本相符。上面的實驗，還使筆者 得知該打印語句占用了 4432 卩 s。稍微修改條件，繼續(xù)實驗：當(dāng)上述打印語句 的字節(jié)數(shù)擴(kuò)充為原來的 4 倍時，測得該語句耗時 17728 卩 s。可見，耗時與打印 內(nèi)容的字節(jié)數(shù)基本上成正比；另外，這種打印語句與加密解密算法本身相 比，并不是想當(dāng)然地只占用一點點時間。（上述數(shù)據(jù)與 PC 機(jī)串口通信波特率的 設(shè)置無明顯關(guān)系。實際測試結(jié)果為：波特率由 115200bps 下降到 57 600 bps， 沒有可以察覺到的差別。 ）3 測量方法討論ARM 內(nèi)置看門狗用作時間度量的適用范圍，大體以卩 s 數(shù)量級為界。比如，從 S3C44BO 的器件特性說明中可知，MCL 在看門狗計時器里的分頻比至 少是1/16。典型情況下，MCLK=60MHZ 則看門狗能夠分辨的最短時間單元 t=l/（60 MHz/16）=0 . 27 卩 s。統(tǒng)計誤差約為 t /2,即 O. 1 卩 s 數(shù)量級。就卩 s 級的時間測量精度而言，相對誤差有可能達(dá)到1%10% ;不過，這對很多速度估算的場合來說還是可以接受的。如果被測時間在10 卩 s 以上，那就沒有任何問題，可以認(rèn)為是相當(dāng)精確的了。這種思路還可用來實