芯耀
1888
嵌入式开发中，大概率遇到过这些问题：
这个优化到底值不值：改了一堆代码，肉眼看不出有没有快。
控制算法一拍用了多少时间：能扛得住 1 kHz、4 kHz 的控制周期吗？
这篇文章我们来梳理下：在嵌入式环境下，靠谱地测一段代码的执行时间的方法。
1. 嵌入式里“测时间”容易踩坑
在 PC 上测时间很简单：std::chrono、gettimeofday、各种 profiler，甚至 Chrome DevTools，都能给你一个数字。
到 MCU/SoC 上，事情立刻复杂几个量级：
操作系统薄甚至没有
很多裸机/轻量 RTOS 环境没有成熟 API，你只能直接碰寄存器。
资源受限
频率才几十到几百 MHz，带宽有限，任何额外 printf 都可能改变原本的时序。
频率、功耗动态变化
有些芯片会变频、进低功耗、关时钟，导致“周期数 → 时间”的关系不再简单线性。
常见错误姿势：
用毫秒级系统滴答去测微秒级代码：比如用 1ms 的 SysTick tick 测一个 10us 的函数，结果永远是 0。
到处 printf 打时间：printf 本身可能比你要测的代码还慢好几倍。
2. 几种主流手段
CPU 周期计数器（如 DWT_CYCCNT）：精度最高，侵入最小。
片上定时器 / SysTick：工程中最常用的折中方案。
GPIO 翻转 + 示波器 / 逻辑分析仪：最直观的波形方式。
RTOS Trace / 运行时间统计：做系统级优化时很好用。
2.1 用 CPU 周期计数器（精度王）
以 Cortex-M 为例，内核里有一个调试用的周期计数器（DWT_CYCCNT），从使能那一刻开始，每个 CPU cycle 自增 1。
开始测量：读一次 DWT_CYCCNT，记为 start。
结束测量：读一次 DWT_CYCCNT，记为 end。
周期差：delta = end - start。
时间：Δt = delta / fcpu。
Cortex-M4 上开启 DWT_CYCCNT
以下是一个典型的初始化过程（以 STM32 为例），代码压缩到最关键的几行：
实际测量某段代码：
从工程视角看，如果芯片支持 DWT/CYCCNT，这应该是首选方案。
2.2. 用片上定时器计时（工程折中）
当芯片没有暴露类似 DWT 的计数器，或者你想用一个“跟 CPU 频率解耦”的时间基准时，就需要用通用定时器或 SysTick。
配置一个 32 位（或 16 位）定时器为 自由运行模式（Auto-reload 设置为最大值）。选择合适的分频，让它以某个已知频率递增，比如 1 MHz（1 tick = 1 us）。测量时读定时器计数器值（CNT），前后做差，乘以 tick 时间就是时间差。
以 STM32 TIM2 为例的配置思路
假设计数频率目标是 1 MHz（精度 1 µs）：
APB1 定时器时钟：假设为 84 MHz；预分频系数 PSC = 84 - 1 = 83；自动重装载 ARR = 0xFFFFFFFF（32 位计数器）。
代码实现如：
测量时：
对几十微秒～秒级的代码块，用这种定时器方案。
2.3 GPIO 翻转 + 示波器/逻辑分析仪（最直观）
这个方法的思路特别“土”，但在工程里非常管用，而且误差小。
代码块开始前，把某个 GPIO 拉高；代码块结束后，把 GPIO 拉低；用示波器或逻辑分析仪测量这段高电平的脉宽，就是执行时间。
代码示例：
调试阶段能用 GPIO + 示波器就用，做完确认再把这些宏关掉（宏空实现），避免污染最终固件。
2.4 RTOS 运行时间统计 / Trace（系统级）
FreeRTOS 提供了一个功能：每个任务都维护一个运行时间计数器，最终可以看到“每个任务占用了多少 CPU 时间”。
开启方式（简化）：
在 FreeRTOSConfig.h 打开统计功能
-
- ——告诉 FreeRTOS “我要统计运行时间”：
configGENERATE_RUN_TIME_STATS 1：启用运行时间统计（依赖你提供计数器）。
configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS 1：启用 vTaskGetRunTimeStats() 这个格式化输出函数。
提供 2 个钩子函数——FreeRTOS 会回调它们来获取“时间刻度”：
vConfigureTimerForRunTimeStats()：初始化“高精度计数器”。
ulGetRunTimeCounterValue()：返回当前“运行时间计数值”（一个不断递增的无符号数）。
在某个任务里周期性打印统计信息——方便观察每个任务的 CPU 占比。
示例：
FreeRTOSConfig.h 中相关配置：
钩子函数的实现：
定时器实现：
注意：vConfigureTimerForRunTimeStats() 会在调度器启动前由 FreeRTOS 调用一次，你不需要手动调用；ulGetRunTimeCounterValue() 则会被内核在每次任务切换时调用，用来给对应任务累加“运行时间”。
随后我们创建一个“监控任务”，每隔 1s 打一份统计：
这几个函数背后的逻辑可以这样理解：
FreeRTOS 不会自己搞定“时间”，而是一直向你要一个“递增计数值”；每次任务切换时，它记下“上一个任务最后离开时的计数值”，和上一次进入时的值做差，累加到这个任务名下；
vTaskGetRunTimeStats()
- 会把每个任务的累计计数换算成百分比（相对于总计数），生成一张“任务运行时间分布表”。
所以，你看到的 Run Time 列本质上就是“这个任务在你的计数器上累计占了多少刻度”，刻度单位由 ulGetRunTimeCounterValue() 决定（本例中是 1us）。
这也是为什么我们用 1 MHz 的定时器：既好算，又有足够分辨率。
你会得到类似这样的输出（示意）：
Task Run Time Percentage
------------------------------------
ctrlTask 350000 35%
commTask 250000 25%
logTask 150000 15%
idle 250000 25%
这能很快告诉你：
- 谁是真正的 CPU 大户；哪个任务突然 CPU 占比飙升（可能出现 bug 或负载增加）。
3. 如何选方法?
我们按“精度 / 侵入性 / 实现复杂度 / 是否系统级”几个维度简单总结。
精度敏感（控制、DSP）：DWT + GPIO（调试）；
通用逻辑性能评估：定时器计数 + 简单统计；
任务调度/架构优化：RTOS 运行时间统计/Trace。
4. 测量时间的宏
实际项目里，可以使用一套非常轻量的宏，方便随手插测量点：
#if !defined(NDEBUG) || defined(ENABLE_PROFILING)
/* Debug 模式，或者手动定义 ENABLE_PROFILING 时启用 */
#define PROF_INIT() cycle_counter_init()
#define PROF_START(var) uint32_t var = cycle_counter_get()
#define PROF_END(var, label)
do {
uint32_t _end = cycle_counter_get();
uint32_t _delta = _end - (var);
printf("[PROF] %s: %lu cyclesrn", (label), (unsigned long)_delta);
} while (0)
#else
#define PROF_INIT()
#define PROF_START(var)
#define PROF_END(var, label) do { (void)(var); (void)(label); } while (0)
#endif
cycle_counter_init与cycle_counter_get的实现就是上面的几种方法。
使用时：
void control_step(void)
{
PROF_START(t0);
update_observer();
update_pid();
update_pwm();
PROF_END(t0, "control_step");
}
调试阶段开着，确认性能 OK 后，可以把 PROF_END 宏改成空实现，完全不影响生产固件。
5. 总结
嵌入式里测一段代码的执行时间，比 PC 环境复杂得多，简单的 printf 和毫秒级 tick 基本不靠谱。
核心手段就是用 CPU 周期计数器、片上定时器、GPIO + 示波器、RTOS 统计，从“函数级 → 任务级 → 系统级”多个层次观测时间。
