实用：嵌入式执行时间测量常用方法

一、常用方法

常用方法：

• CPU 周期计数器
• 片上定时器 / SysTick
• GPIO 翻转 + 示波器 / 逻辑分析仪
• RTOS Trace / 运行时间统计

1.1 CPU 周期计数器

CPU 周期计数器是内核自带的调试模块，每一个 CPU 周期自增 1，具有精度最高（纳秒级）、侵入性最小的优势，是函数级测量的首选方案。

工作原理

以 Cortex-M 系列内核为例，通过使能 DWT（Data Watchpoint and Trace）模块的 CYCCNT 计数器，记录代码执行前后的计数值，计算差值后除以 CPU 频率，即可得到执行时间。

例：

#include "core_cm4.h"

// 初始化周期计数器
static inline void cycle_counter_init(void) {
    // 1. 使能DWT模块
    if (!(CoreDebug->DEMCR & CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk)) {
        CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;
    }
    DWT->CYCCNT = 0; // 2. 清零计数器
    DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk; // 3. 开启计数
}

// 获取当前周期计数值
static inline uint32_t cycle_counter_get(void) {
    return DWT->CYCCNT;
}

// 测量示例
void measure_function(void) {
    cycle_counter_init(); // 初始化（可全局执行一次）
    uint32_t start = cycle_counter_get();
    
    // 被测代码块
    foo();
    bar();
    
    uint32_t end = cycle_counter_get();
    uint32_t delta_cycles = end - start; // 无符号溢出自动处理
    float delta_us = (float)delta_cycles / (SystemCoreClock / 1000000); // 换算为微秒
    printf("[PROF] 执行时间：%lu 周期 / %.2f us\r\n", delta_cycles, delta_us);
}

适用场景

• 微秒级甚至纳秒级的高精度测量；
• 函数、中断服务程序等小粒度代码块；
• 无 RTOS 的裸机环境或轻量 RTOS 环境。

1.2 片上定时器 / SysTick：工程折中方案

当芯片不支持 DWT 模块，或需要与 CPU 频率解耦的时间基准时，片上通用定时器是最常用的选择。通过配置定时器为自由运行模式，以固定频率计数，适合中粒度时间测量。

工作原理

配置定时器的预分频系数和自动重装载值，使其以已知频率（如 1MHz，即 1tick=1us）递增，测量前后读取计数器值，计算差值即为时间。

例：

#include "stm32f4xx_hal.h"

static TIM_HandleTypeDef htim2;

// 初始化定时器（1MHz计数，1tick=1us）
void timer_profiling_init(void) {
    __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 83; // APB1时钟84MHz，84MHz/(83+1)=1MHz
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = 0xFFFFFFFF; // 32位计数，减少溢出
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
    HAL_TIM_Base_Init(&htim2);
    HAL_TIM_Base_Start(&htim2); // 自由运行模式启动
}

// 获取当前计数值
static inline uint32_t timer_profiling_get_ticks(void) {
    return __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2);
}

// 测量示例
void measure_task(void) {
    timer_profiling_init(); // 全局初始化一次
    uint32_t start = timer_profiling_get_ticks();
    
    // 被测代码块
    task_run();
    
    uint32_t end = timer_profiling_get_ticks();
    // 处理计数器溢出
    uint32_t delta_ticks = (end >= start) ? (end - start) : (0xFFFFFFFFu - start + 1u + end);
    float delta_us = (float)delta_ticks; // 1tick=1us
    printf("[PROF] 任务执行时间：%.2f us\r\n", delta_us);
}

适用场景

• 几十微秒到秒级的中粒度代码块；
• 需与 CPU 频率解耦的测量场景；
• 不支持 DWT 模块的芯片。

1.3 GPIO 翻转 + 示波器：最直观的可视化方案

这种方法原理简单但实用性极强，通过 GPIO 电平翻转标记测量起止，用示波器或逻辑分析仪测量脉宽，可避免软件测量的侵入性影响，误差极小。

工作原理

• 测量开始前：将指定 GPIO 引脚拉高；
• 测量结束后：将该 GPIO 引脚拉低；
• 示波器测量高电平脉宽，即为代码执行时间。

例：

#include "stm32f4xx_hal.h"

// 定义测量GPIO（需提前初始化为输出模式）
#define PROF_GPIO_Port GPIOA
#define PROF_Pin GPIO_PIN_0

// 测量宏定义
#define MEASURE_BEGIN() HAL_GPIO_WritePin(PROF_GPIO_Port, PROF_Pin, GPIO_PIN_SET)
#define MEASURE_END() HAL_GPIO_WritePin(PROF_GPIO_Port, PROF_Pin, GPIO_PIN_RESET)

// 测量示例
void process_data_measure(void) {
    MEASURE_BEGIN();
    
    // 被测代码块
    process_sensor_data();
    update_control_output();
    
    MEASURE_END();
}

适用场景

• 调试阶段的直观验证；
• 需排除软件测量干扰的场景；
• 多信号时序对齐测量（如同步观察多个代码块执行时间）。

1.4 RTOS 运行时间统计：系统级瓶颈分析

在 RTOS 环境中，可通过系统自带的运行时间统计功能，获取各任务的 CPU 占用率，适合系统级性能优化和瓶颈定位。

工作原理（以 FreeRTOS 为例）

• 启用统计功能后，FreeRTOS 通过高精度定时器维护每个任务的运行时间计数器；
• 任务切换时，内核计算当前任务的运行时长并累加；
• 通过 API 函数可获取各任务的运行时间占比，生成统计报表。

例：

#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS 1 // 启用运行时间统计
#define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS 1 // 启用格式化输出函数
extern void vConfigureTimerForRunTimeStats(void); // 定时器初始化钩子
extern unsigned long ulGetRunTimeCounterValue(void); // 计数值获取钩子

1. 实现钩子函数与定时器初始化：

   // 定时器初始化（复用片上定时器方案）
   void vConfigureTimerForRunTimeStats(void) {
   timer_profiling_init(); // 1MHz计数，1tick=1us
   }

   // 获取当前计数值
   unsigned long ulGetRunTimeCounterValue(void) {
   return (unsigned long)timer_profiling_get_ticks();
   }

2. 创建统计打印任务：

   #define RUNTIME_STATS_BUF_LEN 256
   void vTaskPrintStats(void *pvParameters) {
   char buf[RUNTIME_STATS_BUF_LEN];
   for (;;) {
   vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 每秒打印一次
   memset(buf, 0, RUNTIME_STATS_BUF_LEN);
   vTaskGetRunTimeStats(buf); // 生成统计报表
   printf("===== 任务运行时间统计 =====\r\n%s\r\n", buf);
   }
   }

3. 典型输出结果：

   ===== 任务运行时间统计 =====
   Task Run Time Percentage

   ctrlTask 350000 35%
   commTask 250000 25%
   logTask 150000 15%
   idle 250000 25%

适用场景

• 多任务 RTOS 系统的全局性能分析；
• 定位 CPU 占用率过高的任务；
• 系统架构优化与负载均衡调整。

二、方法选型指南

测量需求	推荐方法	优势	局限性
函数 / 中断级、微秒级精度	CPU 周期计数器（DWT）	精度最高、侵入性最小	依赖内核支持、需 CPU 频率稳定
任务级、10μs~ 秒级	片上定时器 / SysTick	实现简单、与 CPU 频率解耦	精度中等、需处理计数器溢出
调试阶段、直观验证	GPIO 翻转 + 示波器	无软件干扰、可视化强	需硬件工具、不适用于生产环境
系统级、任务占比分析	RTOS 运行时间统计	全局视角、定位系统瓶颈	仅支持 RTOS、无法测量单个函数