嵌入式开发中，时间测量（如函数执行耗时、任务周期、时序对齐等）是性能调优、稳定性验证的核心手段，以下是详细解析4种典型方法。
一、CPU周期计数器：函数/中断级（微秒级，精度优先）
核心逻辑 ：利用CPU内置的硬件周期计数器（如ARM Cortex-M的DWT_CYCCNT、RISC-V的cycle寄存器），记录代码执行前后的周期数，结合CPU主频换算成时间（时间=周期数/主频）。
特点：精度极高（可达纳秒级）、无额外硬件依赖，但仅适用于短时间测量（计数器溢出前需读取）。
实例（ARM Cortex-M3/4，如STM32）：
c
#include "core_cm4.h"
// 初始化周期计数器
void dwt_init(void) {
CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk; // 使能DWT
DWT->CYCCNT = 0; // 清零计数器
DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk; // 启动计数器
}
// 测量函数执行时间（单位：微秒）
uint32_t measure_func_time(void (*func)(void)) {
uint32_t start = DWT->CYCCNT;
func(); // 执行目标函数
uint32_t end = DWT->CYCCNT;
// 假设CPU主频为72MHz，1周期≈13.89ns，转换为微秒：(end-start)/72
return (end - start) / 72;
}
// 测试：测量某算法函数耗时
void test_algorithm(void) {
// 待测量的函数逻辑（如FFT运算）
for(int i=0; i<1000; i++);
}
// 主函数中使用
dwt_init();
uint32_t time_us = measure_func_time(test_algorithm);
printf("算法耗时：%d us\n", time_us);二、片上定时器：任务/周期函数（10μs以上，通用）
核心逻辑 ：利用MCU的硬件定时器（如STM32的TIM、ESP32的Timer），配置为"自由计数模式"，记录代码执行前后的计数值，结合定时器时钟频率换算时间。
特点：精度适中（取决于定时器分频）、测量范围灵活（可通过自动重装载扩展），适用于中等时长（10μs~秒级）的任务/周期函数测量。
实例（STM32 TIM2）：
c
#include "stm32f1xx_hal.h"
TIM_HandleTypeDef htim2;
// 初始化定时器（时钟频率72MHz，分频后1MHz，计数周期1μs）
void tim2_init(void) {
__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 71; // 72MHz/(71+1)=1MHz
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 0xFFFFFFFF; // 最大计数（避免溢出）
HAL_TIM_Base_Init(&htim2);
HAL_TIM_Base_Start(&htim2); // 启动定时器
}
// 测量任务执行时间（单位：毫秒）
uint32_t measure_task_time(void (*task)(void)) {
uint32_t start = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2);
task(); // 执行目标任务
uint32_t end = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2);
return (end - start) / 1000; // 1MHz计数→1μs/次，转换为ms
}
// 测试：测量周期性数据采集任务耗时
void data_collect_task(void) {
// 模拟任务：读取传感器、处理数据
HAL_Delay(5); // 假设耗时5ms
}
// 主函数中使用
tim2_init();
uint32_t time_ms = measure_task_time(data_collect_task);
printf("采集任务耗时：%d ms\n", time_ms);三、GPIO+示波器：时序关系（直观，多信号对齐）
核心逻辑 ：在目标代码的关键节点（如函数开始/结束、中断触发）控制GPIO电平翻转（置高/置低），用示波器捕获GPIO波形，直接读取时间间隔；也可同时测量多个GPIO信号，分析时序对齐关系。
特点：直观可视化、支持多信号并行分析，但需要示波器硬件，适用于调试复杂时序（如中断嵌套、多任务调度）。
实例（多信号时序分析）：
c
#include "stm32f1xx_hal.h"
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
// 初始化2个GPIO（PA0、PA1）用于波形输出
void gpio_init(void) {
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}
// 测试代码：触发两个信号的时序
void test_timing(void) {
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET); // 信号1置高（函数开始）
// 步骤1：执行任务A
for(int i=0; i<10000; i++);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET); // 信号2置高（任务A结束）
// 步骤2：执行任务B
for(int i=0; i<5000; i++);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET); // 信号1置低（函数结束）
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET); // 信号2置低（任务B结束）
}
// 主函数中使用
gpio_init();
test_timing();示波器效果：可看到PA0波形的"高电平时长"是函数总耗时，PA1的"高电平时长"是任务A耗时，两个信号的时间差是任务B的启动延迟。
四、RTOS运行时间统计/Trace：全局CPU占比（系统级瓶颈）
核心逻辑 ：利用RTOS自带的"任务运行时间统计"功能（如FreeRTOS的vTaskGetRunTimeStats()），或专业Trace工具（如Segger SystemView），统计各任务的CPU占用率、调度延迟，定位系统级瓶颈。
特点：从系统层面分析资源分配，适用于多任务系统的性能调优，但依赖RTOS支持。
实例（FreeRTOS任务CPU占比统计）：
c
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
// 初始化运行时间统计（需配置FreeRTOS的configGENERATE_RUN_TIME_STATS为1）
void rtos_time_stats_init(void) {
// 绑定定时器（如TIM3）作为时间基准
vConfigureTimerForRunTimeStats();
}
// 打印各任务CPU占比
void print_task_cpu_usage(void) {
char stats_buffer[512];
vTaskGetRunTimeStats(stats_buffer); // 获取统计数据
printf("任务CPU占比：\n%s\n", stats_buffer);
}
// 测试：系统运行一段时间后打印统计
void main_task(void *param) {
rtos_time_stats_init();
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10000)); // 运行10秒后统计
print_task_cpu_usage();
while(1) { vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); }
}输出示例：
任务CPU占比：
TaskName RunTime Percentage
IdleTask 950000 95%
DataTask 30000 3%
CommTask 20000 2%可直观看到"IdleTask占比低"说明系统负载高，或"某任务占比过高"是性能瓶颈。
各方法选型总结
| 测量场景 | 推荐方法 | 核心优势 |
|---|---|---|
| 函数/中断的微秒级耗时 | CPU周期计数器 | 精度最高 |
| 任务/周期函数的中等时长 | 片上定时器 | 通用无额外硬件 |
| 多信号时序对齐/调试 | GPIO+示波器 | 直观可视化 |
| 多任务系统的CPU占比 | RTOS运行时间统计/Trace | 系统级瓶颈定位 |