芯耀
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大家好，我是雜燴君。
這次給大家分享關(guān)于嵌入式中性能指標的一些知識。嵌入式軟件性能指標是衡量嵌入式系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要依據(jù)。
各行業(yè)，比較通用的嵌入式軟件性能指標有哪些？
嵌入式軟件的性能指標通常圍繞實時性和資源效率展開。以下是最重要的幾點指標：
一、實時性
實時性指的不是“快”，而是“準時”——硬實時系統(tǒng)允許速度慢，但必須守時。
這個指標直接影響到系統(tǒng)的交互性，這個指標航空航天、工業(yè)自動化等領域至關(guān)重要。
例如，在自動駕駛系統(tǒng)中，車輛對突發(fā)狀況的響應時間必須足夠短，以確保安全駕駛。一般來說，關(guān)鍵任務的響應時間需要控制在毫秒級甚至微秒級。
1、實時性檢測工具
（1）Percepio View
Percepio View?是一款基于 Percepio Tracealyzer 的免費追蹤工具，用作?FreeRTOS?應用程序的監(jiān)控，便于調(diào)試和驗證。
https://www.freertos.org/Documentation/03-Libraries/02-FreeRTOS-plus/05-FreeRTOS_plus_Trace/01-Percepio_View
Percepio View 可以與傳統(tǒng)調(diào)試器（如ST-Link、J-Link）結(jié)合使用，通過任務和 ISR 實時執(zhí)行情況 可視化的方式對調(diào)試器加以補充。
這些任務包括 FreeRTOS API 調(diào)用和您自己的“用戶事件”。 它不需要任何特殊的追蹤硬件。
（2）SEGGER SystemView
SEGGER SystemView是一個實時記錄和可視化工具，用于分析和描述嵌入式系統(tǒng)的行為。
它提供了對運行時行為的深入了解，超越了傳統(tǒng)調(diào)試器的功能。
SystemView 可免費用于非商業(yè)用途，且功能不受限制。
https://www.segger.com/products/development-tools/systemview/
SystemView非常適合具有多線程和中斷的復雜系統(tǒng)，它可以幫助開發(fā)人員確保他們的系統(tǒng)按預期執(zhí)行，識別低效率，并發(fā)現(xiàn)意外的交互或資源沖突。
通過調(diào)試接口記錄來自嵌入式系統(tǒng)的監(jiān)控數(shù)據(jù)，SystemView詳細地可視化任務、中斷和軟件定時器的執(zhí)行情況。
二、資源使用效率
這個指標主要衡量系統(tǒng)硬件資源（如 CPU、內(nèi)存）的使用情況。
通過監(jiān)測資源利用率，可以了解軟件對硬件資源的需求和占用程度，避免資源過度占用或浪費。
例如，如果 CPU 利用率長期過高，可能導致系統(tǒng)響應變慢甚至崩潰；內(nèi)存利用率過高則可能引發(fā)內(nèi)存泄漏等問題。
CPU使用率定義為CPU在某個時間段內(nèi)用于執(zhí)行計算任務的時間占總時間的比例。具體來說，CPU使用率 = 1 - 空閑時間/總CPU時間。
合理的資源利用率可以使系統(tǒng)在有限的硬件資源下穩(wěn)定運行，并為未來的功能擴展預留一定的資源空間。
1、CPU 使用分析工具
（1）SEGGER SystemView
SEGGER SystemView配合 J-Link，捕獲任務切換和中斷事件，分析 CPU 占用熱點，支持 FreeRTOS、Zephyr 等 RTOS。
（2）FreeRTOS 運行時統(tǒng)計功能（內(nèi)置）
https://www.freertos.org/Documentation/02-Kernel/02-Kernel-features/08-Run-time-statistics
在FreeRTOS中通過 config GENERATE_RUN_TIME_STATS配置啟用，統(tǒng)計每個任務的 CPU 占用率及執(zhí)行時間。
無需額外工具，直接集成在 FreeRTOS 中，適合快速定位高負載任務。
（3）perf（Linux 內(nèi)置工具）
perf是一個基于Linux內(nèi)核的性能事件子系統(tǒng)，可以收集各種性能數(shù)據(jù)，如CPU使用率、內(nèi)存訪問、函數(shù)調(diào)用等。
使用命令：
perf record -e cpu-clock -g ./embedded_app ?# 記錄 CPU 事件
perf report ?# 生成熱點函數(shù)分析報告
2、 內(nèi)存使用分析工具
（1）heap-monitoring
heap-monitoring是SEGGER SystemView中的應用程序中的動態(tài)存儲監(jiān)控工具。
在應用程序使用C或C++堆、多個自定義堆或RTOS提供的內(nèi)存池對象，可以使用heap-monitoring跟蹤這些對象的使用情況，分析它們的使用模式，評估堆上的負載、識別潛在的內(nèi)存泄漏、跟蹤內(nèi)存峰值使用情況等的格式顯示收集到的信息。
使用方式：
使用SEGGER_SYSVIEW_HeapDefine定義一次堆的特征。
并使用SEGGER_SYSVIEW_HeapAlloc和SEGGER_SYSVIEW_HeapFree監(jiān)視它的使用情況。
（2）FreeRTOS 堆棧溢出檢測（內(nèi)置）
在FreeRTOS中通過?config CHECK_FOR_STACK_OVERFLOW?配置檢測任務堆棧溢出。
實時監(jiān)控任務棧使用，防止內(nèi)存越界導致的系統(tǒng)崩潰。
（3）Valgrind
Valgrind是一款用于內(nèi)存調(diào)試、內(nèi)存泄漏檢測以及性能分析的軟件開發(fā)工具。
Valgrind工具包包含多個工具：
其中Valgrind Massif工具是堆棧分析器。堆棧分析器，它能測量程序在堆棧中使用了多少內(nèi)存，告訴我們堆塊，堆管理塊和棧的大小。
Valgrind Massif能幫助我們減少內(nèi)存的使用，在帶有虛擬內(nèi)存的現(xiàn)代系統(tǒng)中，它還能夠加速我們程序的運行，減少程序停留在交換區(qū)中的幾率。
Valgrind由內(nèi)核（core）以及基于內(nèi)核的其他調(diào)試工具組成。
其基于仿真方式對程序進行調(diào)試，它先于應用程序獲取實際處理器的控制權(quán)，并在實際處理器的基礎上仿真一個虛擬處理器，并使應用程序運行于這個虛擬處理器之上，從而對應用程序的運行進行監(jiān)視。
應用程序并不知道該處理器是虛擬的還是實際的，已經(jīng)編譯成二進制代碼的應用程序并不用重新進行編譯，Valgrind 直接解釋二進制代碼使得應用程序基于它運行，從而能夠檢查內(nèi)存操作時可能出現(xiàn)的錯誤。
所以在Valgrind下運行的程序運行速度要慢得多，而且使用的內(nèi)存要多得多。因此，最好在性能好的機器上使用Valgrind，并且是在開發(fā)調(diào)試階段使用。
三、代碼執(zhí)行效率
代碼執(zhí)行效率直接影響系統(tǒng)的?可靠性、實時性、功耗?和?成本。
1、代碼執(zhí)行效率檢測工具
（1）gprof
GNU gprof，這是一個經(jīng)典的性能分析工具，集成在GCC中，只需添加編譯選項即可使用，適用于Linux/MPU 或交叉編譯環(huán)境（如 ARM Cortex-A 系列），定位算法或邏輯瓶頸。
https://ftp.gnu.org/old-gnu/Manuals/gprof-2.9.1/html_mono/gprof.html
它能夠顯示每個函數(shù)的調(diào)用次數(shù)和執(zhí)行時間，幫助定位熱點代碼。對于嵌入式開發(fā)，可以在交叉編譯環(huán)境中使用。
編譯代碼時啟用分析：
gcc -pg -o my_app my_code.c
生成分析報告：
gprof my_app gmon.out > report.txt
四、其他指標
可靠性：嵌入式系統(tǒng)，尤其是應用于關(guān)鍵領域（如醫(yī)療設備、交通控制等）的軟件，可靠性是至關(guān)重要的指標。軟件需要具備容錯能力、錯誤恢復能力和穩(wěn)定性，以應對各種可能出現(xiàn)的異常情況，確保系統(tǒng)持續(xù)、穩(wěn)定地運行。
功耗：低功耗設計可以延長設備的使用時間，減少充電頻率，提高用戶體驗。同時，對于大規(guī)模部署的物聯(lián)網(wǎng)設備，降低功耗還可以降低運營成本和對環(huán)境的影。
可預測性：確保所有任務在任意負載下均滿足截止時間（硬實時系統(tǒng)的核心）。
通信吞吐量：在涉及網(wǎng)絡或總線（如CAN、Ethernet）的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)吞吐和延遲是關(guān)鍵。
工具鏈影響：編譯器優(yōu)化級別、調(diào)試代碼（如斷言）對性能的影響需在發(fā)布版本中評估。
要是這篇文章給你帶來了新啟發(fā)，動動手指點個在看/轉(zhuǎn)發(fā)唄。
