如何簡單快速的來打造MCU性能分析利器的詳細(xì)資料概述

說出來不確定大家信不信，實現(xiàn)起來也就70來行算上大括號的代碼，是不是很激動人心？

言歸正傳，再小的程序，也是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+代碼。咱們先來由表及里地看看核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的樣子。

首先，既然要從Cortex-M核在響應(yīng)中斷時自動入棧的信息采集PC，就必須了解自動入棧了些啥東東：

這里可以看出Cortex-M內(nèi)核自動壓入了8個寄存器，右二那個不起眼的pc，正是一號主角。對自動入棧不太了解的小伙伴，可以查看《Cortex-M3權(quán)威指南》第9章的介紹

（https://github.com/RockySong/cm3_def_guide_cn）

理論上pc可以是任何指令位置。不幸的是一般工程生成的指令數(shù)常常在幾萬甚至幾十萬條，難道都要記錄下來？估計天價的開發(fā)工具也不會這么做。常言說“首惡必辦，協(xié)從不問”，咱們做profiling，也沒必要統(tǒng)計出PC在所有指令上的分布密度，只要抓幾個大頭就夠了。還有個麻煩的，是一個函數(shù)可以有多個指令，函數(shù)長度可以相差巨大，而且在一個大函數(shù)里不同區(qū)域的覆蓋密度也不同。過日子還需要精打細(xì)算呀，咱們權(quán)衡打擊精度與彈藥消耗量，使用2個宏來決定配置，比如：

第1個宏P(guān)ROF_CNT決定了抓多少個大頭，第2個宏P(guān)ROF_ERR決定了網(wǎng)眼的大小——抓取的地址范圍（也就是最大誤差），在這個范圍內(nèi)的地址都計作同一個地址塊。顯然，PROF_CNT越多，PROF_ERR越小，抓取的就越多越精確，也就更接近高檔的分析工具。值得一表的是，如果PROF_ERR夠小，可以在較大的函數(shù)中抓出更消耗性能的位置。

第3個宏P(guān)ROF_MASK又是什么鬼？這其實是個工具宏，用來把地址向下對齊到誤差范圍的邊界，這也意味著PROF_ERR必須是2的整數(shù)次冪，這么做是避免消耗性能的取模運算。

下面請出關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：性能分析的PC統(tǒng)計單元：

很顯然，PROF_CNT是多少，就應(yīng)該有多少個ProfUnit_t實例。結(jié)構(gòu)中，hitCnt是關(guān)鍵的參數(shù)，它統(tǒng)計了這個對齊后的PC地址”baseAddr”被采集到了多少次，”hitRatio”則是一個對人類友好的輔助變量，提供千分?jǐn)?shù)（其實是1024級）精度的CPU占用率。

此外，還有個非常有用的小細(xì)節(jié)。比如，小伙伴們可能也注意到了，CPU占用率也是有時效性的。就像一個漫長的初始化可能讓一些查詢等待的函數(shù)紅極一時，但在之前越是弄得滿城風(fēng)雨，程序主體運行后往往越是無聲無息，甚至都沒機(jī)會再運行一遍。

而即使在正常運行期間，不同時段開啟的功能不同，常常出現(xiàn)“皇帝輪流做，明年到我家”。因此，咱們可以加一點衰減處理，也就是定期對于非0的hitCnt進(jìn)行扣除一格，如果沒有后續(xù)源源不斷的再次命中，就會漸漸走下神壇直至跌出排行榜。這樣可以提高統(tǒng)計結(jié)果的實時性。衰減機(jī)制的思路也很簡單，就是輪流從hitCnt非0的各個PC樣本點去扣。

綜合上面的如意算盤，定義了如下統(tǒng)領(lǐng)全局的結(jié)構(gòu)體：

這個結(jié)構(gòu)里decayNdx表示下次統(tǒng)計時從誰身上扣除hitCnt，每一次扣除后就輪轉(zhuǎn)到后面的item上，以公平公正。profCnt則表示已經(jīng)做了多少次profiling統(tǒng)計，用于計算命中率，而items則是上文介紹的PC樣本統(tǒng)計單元。這里也有個小細(xì)節(jié)，就是在應(yīng)用衰減來扣除每個item的hitCnt時，profCnt也需要扣除。

好了，有了完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該寫代碼了。從易到難，咱們可以先處理命中時的動作。

代碼很簡單，記錄地址，增加hitCnt，計算hitRate，再實時地“冒泡”，把最多hitCnt的item頂上去，排序的目的也是為了便于突出重點，對人類查看友好。這里每次hitCnt加2，是為了讓衰減得沒有增加的快，“過氣”得緩慢點，小伙伴們可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)增加量。

再剩下的就是最復(fù)雜的主函數(shù)了——說是復(fù)雜也就不到40行的代碼。要在主函數(shù)里先應(yīng)用衰減，然后檢查這次的PC樣本是否已有記錄。如有記錄就調(diào)用上面的_ProfOnHit()，如無記錄則在一個hitCnt為0的item上記錄這個新PC樣本，也是調(diào)用_ProfOnHit()。此外，為了避免把idle函數(shù)和一些不想關(guān)心的函數(shù)也記錄下來，程序還支持一個“忽略列表”，凡是位于忽略列表地址范圍的PC樣本都不理會。

大功告成！接下來就是要使用了。使用非常簡單，只需在定時器中斷服務(wù)程序的主體中調(diào)用Profiling()并告訴它進(jìn)入定時器中斷時pc寄存器的值。為了獲取入棧的PC，這個需要一點Cortex-M的基礎(chǔ)知識和手寫匯編。下面給出KEIL下的匯編入口：

這個小程序先查出中斷前使用的棧指針并以作為參數(shù)傳遞給C語言主體“SysTick_C_Handler”。如果小伙伴們對這段匯編看不明白，就直接用就可以。

C語言主體的使用方式如下：

在使用的時候，咱們就進(jìn)入開發(fā)工具的調(diào)試會話，讓程序跑一會，再停下來。如果是在KEIL或IAR中，可以使用memory窗口或watch窗口觀察s_prof.items。如果使用了GDB，可以輸入命令p/a s_prof.items。查看排名靠前的item，對照map文件即可估計出函數(shù)的名字和大致位置。值得一表的是，GDB下會自動解析出地址所對應(yīng)的函數(shù)名，不用再讓咱們手動查map，非常貼心!

回顧理論篇介紹的幾個小坑，當(dāng)查到一個不合理的地址時，先別激動，看看是不是小坑中的之一。如果確定不是，就有必要深入處理了。

到了這里，這期性能分析的話題的理論和實踐的故事就講完了。

等等，似乎還有什么沒交待完。試想，當(dāng)我們一一找出最耗CPU資源的函數(shù)后，倘若束手無策，那也是徒勞無功，我們必須有對付他們的辦法。其中一項省力而又見效快的辦法就是把它們放在執(zhí)行性能更高的位置中去，也就是前面說的VIP區(qū)。下次，咱們就介紹一下各種VIP區(qū)的特點，以及升V的方法！敬請繼續(xù)關(guān)注！