Cortex-M系列单片机DWT组件的几种用法

原创 已于 2024-11-15 13:27:45 修改 · 1.8k 阅读 · 19 ·
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#单片机 #嵌入式硬件

于 2024-10-18 14:17:45 首次发布

1、DWT

1.1、DWT简介

        DWT（Data watchpoint and trace unit）数据观察点与跟踪单元。它是内核调试组件的一部分，它提供的调试功能包括：
1. 它包含了 4 个比较器，可以配置成在发生比较匹配时，执行如下动作：
    a) 硬件观察点（产生一个观察点调试事件，并且用它来调用调试模式，包括停机模式和调试监视器模式
    b) ETM 触发，可以触发 ETM 发出一个数据包，并汇入指令跟踪数据流中
    c) 程序计数器（PC）采样器事件触发
    d) 数据地址采样器触发
    e) 第一个比较器还能用于比较时钟周期计数器（CYCCNT），用于取代对数据地址的比较
2. 作为计数器， DWT 可以对下列项目进行计数：
    a) 时钟周期（CYCCNT）
    b) 被折叠（Folded） 的指令
    c) 对加载/存储单元（LSU）的操作
    d) 睡眠的时钟周期
    e) 每指令周期数（CPI）
    f) 中断的额外开销（overhead）
3. 以固定的周期采样 PC 的值
4. 中断事件跟踪
    当用于硬件观察点或 ETM 触发时，比较器既可以比较数据地址，也可以比较程序计数器 PC。
    当用于其它功能时，比较器则只能比较数据地址。

1.2、寄存器简介

    每一个比较器都有 3 个寄存器

  •     COMP 寄存器
  •     MASK 寄存器
  •     FUNCTION 控制寄存器

    其中， COMP 寄存器是一个 32 位寄存器，用于存储要比较的值。 MASK 寄存器可以用于掩蔽数据地址的一些位，被掩蔽的位不参与比较。FUNCTION寄存器用于决定比较器的功能。

2、DWT的几种用法介绍

#define     __I     volatile const      /*! Defines 'read only' structure member permissions */
#define     __O     volatile            /*! Defines 'write only' structure member permissions */
#define     __IO    volatile            /*! Defines 'read / write' structure member permissions */

typedef struct
{
  __IO uint32_t CTRL;                   /*!< Offset: 0x000 (R/W)  Control Register */
  __IO uint32_t CYCCNT;                 /*!< Offset: 0x004 (R/W)  Cycle Count Register */
  __IO uint32_t CPICNT;                 /*!< Offset: 0x008 (R/W)  CPI Count Register */
  __IO uint32_t EXCCNT;                 /*!< Offset: 0x00C (R/W)  Exception Overhead Count Register */
  __IO uint32_t SLEEPCNT;               /*!< Offset: 0x010 (R/W)  Sleep Count Register */
  __IO uint32_t LSUCNT;                 /*!< Offset: 0x014 (R/W)  LSU Count Register */
  __IO uint32_t FOLDCNT;                /*!< Offset: 0x018 (R/W)  Folded-instruction Count Register */
  __I  uint32_t PCSR;                   /*!< Offset: 0x01C (R/ )  Program Counter Sample Register */
  __IO uint32_t COMP0;                  /*!< Offset: 0x020 (R/W)  Comparator Register 0 */
  __IO uint32_t MASK0;                  /*!< Offset: 0x024 (R/W)  Mask Register 0 */
  __IO uint32_t FUNCTION0;              /*!< Offset: 0x028 (R/W)  Function Register 0 */
       uint32_t RESERVED0[1U];
  __IO uint32_t COMP1;                  /*!< Offset: 0x030 (R/W)  Comparator Register 1 */
  __IO uint32_t MASK1;                  /*!< Offset: 0x034 (R/W)  Mask Register 1 */
  __IO uint32_t FUNCTION1;              /*!< Offset: 0x038 (R/W)  Function Register 1 */
       uint32_t RESERVED1[1U];
  __IO uint32_t COMP2;                  /*!< Offset: 0x040 (R/W)  Comparator Register 2 */
  __IO uint32_t MASK2;                  /*!< Offset: 0x044 (R/W)  Mask Register 2 */
  __IO uint32_t FUNCTION2;              /*!< Offset: 0x048 (R/W)  Function Register 2 */
       uint32_t RESERVED2[1U];
  __IO uint32_t COMP3;                  /*!< Offset: 0x050 (R/W)  Comparator Register 3 */
  __IO uint32_t MASK3;                  /*!< Offset: 0x054 (R/W)  Mask Register 3 */
  __IO uint32_t FUNCTION3;              /*!< Offset: 0x058 (R/W)  Function Register 3 */
} DWT_Type;

typedef struct
{
  __IO uint32_t DHCSR;                  /*!< Offset: 0x000 (R/W)  Debug Halting Control and Status Register */
  __O  uint32_t DCRSR;                  /*!< Offset: 0x004 ( /W)  Debug Core Register Selector Register */
  __IO uint32_t DCRDR;                  /*!< Offset: 0x008 (R/W)  Debug Core Register Data Register */
  __IO uint32_t DEMCR;                  /*!< Offset: 0x00C (R/W)  Debug Exception and Monitor Control Register */
} CoreDebug_Type;

#define DWT_BASE            (0xE0001000UL)    /*!< DWT Base Address */
#define CoreDebug_BASE      (0xE000EDF0UL)    /*!< Core Debug Base Address */

#define DWT                 ((DWT_Type       *) DWT_BASE      )   /*!< DWT configuration struct */
#define CoreDebug           ((CoreDebug_Type *) CoreDebug_BASE)   /*!< Core Debug configuration struct */

#define CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk (1UL << 24U)  /*!< CoreDebug DEMCR: TRCENA Mask */
#define CoreDebug_DEMCR_MON_EN_Msk (1UL << 16U)  /*!< CoreDebug DEMCR: MON_EN Mask */

#define DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk     (1UL <<  0U)  /*!< DWT CTRL: CYCCNTENA Mask */

#define DWT_FUNCTION_MATCHED_Msk   (1UL << 24U)  /*!< DWT FUNCTION: MATCHED Mask */
#define DWT_FUNCTION_DATAVSIZE_Pos  10U          /*!< DWT FUNCTION: DATAVSIZE Position */
#define DWT_FUNCTION_DATAVMATCH_Pos  8U          /*!< DWT FUNCTION: DATAVMATCH Position */
#define DWT_FUNCTION_CYCMATCH_Pos    7U          /*!< DWT FUNCTION: CYCMATCH Position */
#define DWT_FUNCTION_MATCH_Pos       0U          /*!< DWT FUNCTION: MATCH Position */

#define CPU_FREQ_MHZ               150           /*!< CPU Frequence in MHz */

2.1、高精度延时

现象：在主循环中以1Hz的频率闪烁led灯 

void dwt_tim_init(void)
{
    CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk | CoreDebug_DEMCR_MON_EN_Msk; //Enable DWT function
    DWT->CYCCNT       = 0;                          //Clear Count register
    DWT->CTRL        |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;     //Enable CYCCNT
}

void dwt_delay_us(uint32_t us)
{
    uint32_t tick;

    tick = us * CPU_FREQ_MHZ;
    DWT->CYCCNT = 0;
    while (DWT->CYCCNT < tick);
}

void dwt_delay_ms(uint32_t ms)
{
    dwt_delay_us(ms*1000);
}

void main(void)
{
    dwt_tim_init();
    
    while (1)
    {
        dwt_delay_ms(500);
        toggle_led();
    }
}

2.2、高精度定时器

现象：在DebugMon中断中以1Hz的频率闪烁led灯

注意：只有COMP0寄存器能与CYCCNT寄存器做比较产生中断

void dwt_tim_init(void)
{
    CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk | CoreDebug_DEMCR_MON_EN_Msk; //Enable DWT function
    DWT->CYCCNT       = 0;            //Clear Count register
    DWT->COMP0        = CPU_FREQ_MHZ * 1000 * 1000; //Tick is 1S
    DWT->MASK0        = 0;
    DWT->FUNCTION0    = (2UL << DWT_FUNCTION_DATAVSIZE_Pos) |  //For data value matching is word
					    (1UL << DWT_FUNCTION_DATAVMATCH_Pos) | //Perform data value comparison
					    (1UL << DWT_FUNCTION_CYCMATCH_Pos) |   //Compare with the cycle counter
                        (6UL << DWT_FUNCTION_MATCH_Pos);       //Generate watchpoint debug event
    DWT->CTRL        |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;     //Enable CYCCNT
}

void DebugMon_Handler(void)
{
    if (DWT->FUNCTION0 & DWT_FUNCTION_MATCHED_Msk){
        DWT->CYCCNT = 0; //clear count register
        toggle_led();
    }
}

void main(void)
{
    __NVIC_SetPriority(DebugMonitor_IRQn, 0);
    dwt_tim_init();
    
    while (1)
    {
        task_scheduling();
    }
}

2.3、函数运行时间统计

void dwt_tim_init(void)
{
    CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk | CoreDebug_DEMCR_MON_EN_Msk; //Enable DWT function
}

void dwt_tim_start(void)
{
    DWT->CYCCNT = 0;                          //Clear Count register
    DWT->CTRL  |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;     //Enable CYCCNT
}

uint32_t dwt_tim_stop(void)
{
    DWT->CTRL &= ~DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;     //Disable CYCCNT
    return DWT->CYCCNT;
}

void main(void)
{
    uint32_t tick, time_us;
    dwt_tim_init();
    
    while (1)
    {
        dwt_tim_start();
        task1_run();
        tick = dwt_tim_stop();
        time_us = tick * ( 1 / CPU_FREQ_MHZ)

        task2_run();
    }
}

2.4、寄存器修改监控

 现象：主循环中每秒对地址0x4003A000进行写入操作，触发DebugMon中断，使led灯以1Hz的频率闪烁。

注意：由于DWT只有4个COMP寄存器，因此最多只能同时监控4个地址。

void dwt_monitor_init(void)
{
    CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk | CoreDebug_DEMCR_MON_EN_Msk; //Enable DWT function

    DWT->COMP0        = 0x4003A000; //You want to monitor address
    DWT->MASK0        = 0;
    DWT->FUNCTION0    = (2UL << DWT_FUNCTION_DATAVSIZE_Pos) |  //For data value matching is word
                        (6UL << DWT_FUNCTION_MATCH_Pos);       //Generate watchpoint debug event
}

void DebugMon_Handler(void)
{
    if (DWT->FUNCTION0 & DWT_FUNCTION_MATCHED_Msk){
        toggle_led();
    }
}

void main(void)
{
    __NVIC_SetPriority(DebugMonitor_IRQn, 0);
    dwt_monitor_init();
    
    while (1)
    {
        delay_ms(1000);
        *((uint32_t*)0x4003A000) |= 0x1;
    }
}

3、注意事项

 DWT的相关寄存器在debug时，会被JLink修改，因此上述用法均需在非debug模式下使用。

4、参考资料 

[1]【STM32】基于DWT的延时功能实现_stm32 dwt-优快云博客

[2]  ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南

[3]  ARMv7-M Architecture Reference Manual

【ARM Coresight 系列文章 14 - Cortex-M7 DWT 详细介绍】
CodingCos的博客
11-09 2217
Cortex-M7 CoreSight 系统框图。
DWT（Data Watchpoint and Trace，数据观察点与跟踪单元）
最新发布
guigenyi的专栏
10-21 1413
摘要：DWT（数据观察点与跟踪单元）是ARM Cortex-M处理器内核中的调试组件，支持硬件断点、性能分析和实时跟踪。核心功能包括：1）数据观察点，监控内存访问并触发调试事件；2）性能计数器（如CYCCNT周期计数），实现代码级性能剖析；3）程序流跟踪，支持PC采样分析。开发者可通过DWT进行非侵入式调试，精准定位内存错误和性能瓶颈。需注意不同Cortex-M型号功能支持存在差异。典型应用包括高精度延时函数和代码执行周期测量，是嵌入式优化的关键工具。（149字）
STM32CUBE——使用DWT提供毫秒延迟
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03-19 3221
起因 由于使用了CUBE，原子哥的延时就用不了，所以尝试其他延时函数：CUBE的HAL_Delay（）和使用STM32的DWT(Data watchpoint trigger) 前言 为什么要学习这种延时的方法？ HAL_Delay实用程序函数：它建立在SysTick计时器上，当我们跑操作系统，就一般会占用一个硬件定时器——SysTick(也可以把其他定时器当成时钟),这样一来又难免产生冲突。 以便为在阻塞和非阻塞模式下工作的驱动程序提供两个版本。阻塞函数将使用我们今天将要开发的延迟实用程序(DWT)。非
Cortex M3 数据观察点与跟踪(DWT)
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03-28 722
e) 第一个比较器还能用于比较时钟周期计数器（CYCCNT），用于取代对数据地址。当用于硬件观察点或 ETM 触发时，比较器既可以比较数据地址，也可以比较程序计数。其中， COMP 寄存器是一个 32 位寄存器，用于存储要比较的值。b) ETM 触发，可以触发 ETM 发出一个数据包，并汇入指令跟踪数据流中。a) 硬件观察点（产生一个观察点调试事件，并且用它来调用调试模式，包括停机。当用于其它功能时，则只能比较数据地址。c) 程序计数器（PC）采样器事件触发。掩蔽数据地址的一些位，被掩蔽的位不参与比较。
Cortex-M中特别实用的DWT计数器
李肖遥的专栏
09-19 793
关注、星标公众号，直达精彩内容素材来源：https://blog.youkuaiyun.com/booksyhay/article/details/109028712整理：技术让梦想更伟大|李肖遥DWT跟踪组件Cortex-M3 权威指南：16.2 TRACE COMPONENTS: DWTThe rest of the DWT counters are typically used for pr...
STM32應用：使用Cortex M內嵌DWT達成精確微秒級延時
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Cortex M核心自帶一個Systick計數器，通常會設置成一毫秒計數一次，並產生一個中斷，當程式需要微秒等級的延遲時，普遍利用下列兩個做法。 while loop空迴圈。 使用Basic timer如TIM6 / TIM7，設置為一微秒計數一次。 第一個使用while loop空迴圈的方式，主要問題是通常需要多次反覆多次測試設定值，對應到不同時間的延遲適應性低，加上會被編譯器的最佳化影響，需要花在測試設定的時間就更多了一些。 第二個使用Basic timer的方式，主要問題是占用了一個timer，和計數
Cortex-M4单片机硬件延时---DWT
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与软件延时的区别就在这里，软件延时是根据机器周期和指令周期进行计算，从而得到的延时时间（这个地方跟也跟系统的主频先关系，但是是基于系统的主频实现的，并且无法进行时间的校准，因为执行是指令周期不确定，没有办法进行调整。DWT里有一个32位的寄存器叫CYCCNT，它是一个向上计数器，记录的是内核时钟运行的次数，内核时钟跳动一次，该计数器就加1，如果内核时钟是120MHz，那精度就是1/120M=8.3ns，而单片机程序的运行时间通常都是微秒级别的，所以DWT实现延时的精度是非常高的要.
cortex-m 2017 whitepaper (English and Chinese)
uunubt的专栏
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Cortex-M for Beginners - 2017_EN_v2.pdf: https://pan.baidu.com/s/1CFW5TdzoZr7vsDFkG8MxCA 提取码: t938 Cortex-M for Beginners - 2017_CN_v3.pdf: https://pan.baidu.com/s/16qXRKAUJp2Q2UBTJWIxuRg 提取码...
ARM Cortex-M内核崛起之路：从概念到主流MCU核心的7大转折点（权威解读）
ARM凭借在移动领域积累的低功耗设计经验，于2004年推出Cortex-M系列内核，首次将32位RISC架构带入主流MCU市场。其核心目标是**在极小面积与超低功耗下实现高性能实时控制能力**。 Cortex-M摒弃了传统ARM处理器复杂...
Cortex-M3学习笔记（持续更新）
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Cortex-M3 是一个 32 位处理器内核。内部的数据路径是 32 位的，寄存器是 32 位的，存储器接口也是 32 位的。CM3 采用了哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数据访问并行不悖。这样一来数据访问不再占用指令总线，从而提升了性能。为实现这个特性， CM3 内部含有好几条总线接口，每条都为自己的应用场合优化过，并且它们可以并行工作。但是另一方面，指令总线和数据总线共享同一个存储器空间（一个统一的存储器系统）。换句话说，不是因为有两条总线，可寻址空间就变成 8GB 了。
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伟大的心胸，应该表现出这样的气概——用笑脸来迎接悲惨的厄运，用百倍的勇气来应付一切的不幸。
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Cortex-M3及以上32单片机使用内核DWT实现微秒级延时的详细说明和代码实现。
[STM32F1]STM32上的DWT与延时实现
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但是对于cortex-M3内核来说，还有一个可以延时的方法往往被大家所忽视，就是M3内核跟踪系统：数据观察点与跟踪单元(DWT)。很多人说，由于DWT是属于M3内核自带的功能，便于在不同M3处理器之间的移植，实际上想相比较普通的外设定时器来说，不管从定时方式还是最长时间上来说，DWT并没有优势，毕竟DWT原本设计不是为了做定时器用的，而且现在的各个厂家的定时器原理基本一样，也不存在着说移植后在定时器的处理上的难度有多大，所以具体要不要用DWT来实现延时功能见仁见智。来源：21ic.com。
mcu：利用Cortex-M中的DWT实现高精度计时
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06-12 2787
它有一个32位的寄存器叫CYCCNT，它是一个向上的计数器，记录的是内核时钟运行的个数，内核时钟跳动一次，该计数器就加1，精度非常高，决定内核的频率是多少，如果是F103系列，内核时钟是72M，那精度就是1/72M = 14ns，而程序的运行时间都是微秒级别的，所以14ns的精度是远远够的。通过编程它们，就可以让它们在计数器溢出时发出事件（以跟踪数据包的形式）。它是DWT控制寄存器的第一位，写1使能，则启用CYCCNT计数器，否则CYCCNT计数器将不会工作。使能DWT_CYCCNT寄存器之前，先清0。
Cortex-M 调试技术详解：DWT、ETM、ITM 与断点机制
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工具用途硬件支持典型场景DWT性能测量、数据监视所有 Cortex-M3/M4/M7定位瓶颈、追踪野指针ITM实时日志输出所有 Cortex-M3/M4/M7替代 UART 调试ETM指令流跟踪部分高端芯片代码覆盖率、深度分析FPB硬件断点所有 Cortex-M3/M4/M7Flash 代码调试。
意外发现Cortex-M内核带的64bit时间戳，比32bit的DWT时钟周期计数器更方便，再也不用担心溢出问题了
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08-23 2307
看参数手册的Debug章节，System ROM Table里面带Timestamp generator的都是支持的，不带的不支持。当前测试H743/H750等系列是带的。与DWT时钟计数器一样，可以调试使用也可以正常程序运行使用。意外发现Cortex-M内核带的64bit时间戳，比32bit的DWT时钟周期计数器更方便，再也不用担心溢出问题了。2、H7-TOOL的LUA小程序教程第8期：SWD接口函数，读写各种类型数据，内存和寄存器等。
ARM嵌入式学习笔记（3）DWT定时器
qq_61508022的博客
04-09 2164
STM32H503 DWT计数器
ARM Cortex-M23与Cortex-M33处理器技术介绍
"本文档是关于ARM Cortex-M23和Cortex-M33处理器的技术介绍，涵盖了它们在ARMv8-M架构中的TrustZone技术。文档由ARMLimited或其关联公司于2016年发布，主要作者包括Tim Menasveta、Diya Soubra和Joseph Yiu。本文档...
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