RTOS基础 -- 基于 DWT CYCCNT 的 M4 内核代码耗时统计与 CPU 频率获取方法

sz66cm

于 2025-04-03 22:00:00 发布

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文章标签： RTOS

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基于 DWT CYCCNT 的 M4 内核代码耗时统计与 CPU 频率获取方法

一、背景介绍

在嵌入式开发中，准确测量代码执行耗时是优化性能、评估实时性的重要手段。对于基于 ARM Cortex-M4 的 NXP 处理器，如 i.MX RT 或 i.MX8M 的 M4 核，我们可以使用 ARM 内部的 DWT CYCCNT（CPU周期计数器） 实现 纳秒~微秒级别的高精度耗时统计。

本文将系统介绍：

如何使用 DWT CYCCNT 测量代码运行时间
如何获取 M4 核的 CPU 主频（SystemCoreClock）
如何根据周期数换算微秒时间
实用示例与注意事项

二、DWT CYCCNT 原理简介

什么是 DWT CYCCNT？

DWT（Data Watchpoint and Trace）模块是 ARM Cortex-M3/M4/M7 内核的调试组件，内部包含一个 CYCCNT 计数器，可以记录 CPU 自上电以来经历的时钟周期数。

精度：1 个时钟周期（周期数 = 时钟频率 × 时间）
常用于：代码耗时统计、性能分析、任务调度评估

三、初始化 DWT CYCCNT

默认 DWT 计数器是关闭的，需在代码中初始化：

void DWT_Init(void)
{
    CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;    // 开启 DWT 模块
    DWT->CYCCNT = 0;                                    // 清零周期计数器
    DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;                // 启动周期计数器
}

建议在 main() 或系统初始化流程中调用一次：

DWT_Init();

四、获取 M4 内核的 CPU 主频

方法一：通用 CMSIS 方法

extern uint32_t SystemCoreClock;

SystemCoreClockUpdate();           // 刷新当前时钟
uint32_t core_clk = SystemCoreClock;

方法二：NXP MCUXpresso SDK 推荐方式

#include "fsl_clock.h"

uint32_t core_clk = CLOCK_GetFreq(kCLOCK_CoreSysClk);

常见时钟项：

获取函数	说明
`CLOCK_GetFreq(kCLOCK_CoreSysClk)`	M4 核心时钟
`CLOCK_GetFreq(kCLOCK_AhbClk)`	AHB 总线时钟
`CLOCK_GetFreq(kCLOCK_IpgClk)`	外设 IPG 时钟

五、根据周期数换算时间（微秒）

原理推导：

假设：

delta_cycles 为执行代码所花费的周期数
SystemCoreClock 为当前 M4 的主频（单位 Hz）

则：

delta_us = (float)delta_cycles / (SystemCoreClock / 1e6f);

这个公式将周期数换算为微秒（us）。

举例说明：

假设：

M4 主频为 600 MHz（SystemCoreClock = 600000000）
代码执行了 3000 个周期

则：

delta_us = 3000 / (600000000 / 1e6) = 3000 / 600 = 5.0 微秒

六、完整示例代码

#include <stdio.h>
#include "fsl_clock.h"

void DWT_Init(void)
{
    CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;
    DWT->CYCCNT = 0;
    DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;
}

void measure_example(void)
{
    uint32_t start, end, delta_cycles;
    float delta_us;

    // 获取 M4 主频
    uint32_t core_clk = CLOCK_GetFreq(kCLOCK_CoreSysClk); // or use SystemCoreClockUpdate();

    // 开始测时
    start = DWT->CYCCNT;

    // 待测代码段
    for (volatile int i = 0; i < 1000; i++);

    // 结束测时
    end = DWT->CYCCNT;

    delta_cycles = end - start;
    delta_us = (float)delta_cycles / (core_clk / 1e6f);

    printf("执行耗时：%.2f us\n", delta_us);

    // 判断是否超时
    if (delta_us > 50.0f) {
        printf("超时警告！\n");
    }
}

七、常见问题与注意事项

问题	说明
`CYCCNT` 始终为 0	未使能 DWT，需调用 `DWT_Init()`
测量值不准确	未调用 `SystemCoreClockUpdate()` 或未正确配置 PLL 时钟
变量溢出	`DWT->CYCCNT` 是 32 位无符号整型，大约 7 秒会溢出一次 @600MHz
与 FreeRTOS 冲突？	没有冲突，DWT 是独立模块，可安全使用

八、优化建议

为避免频繁计算，可预先定义：

#define US_PER_CYCLE (1e6f / SystemCoreClock)
#define CYCLES_TO_US(cycles) ((cycles) * US_PER_CYCLE)

或者定义一组测时辅助函数：

static inline void start_timing(void) {
    DWT->CYCCNT = 0;
}

static inline float stop_timing_us(void) {
    return DWT->CYCCNT / (SystemCoreClock / 1e6f);
}