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(biāo)的一些知識(shí)。嵌入式軟件性能指標(biāo)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(biāo)有哪些？
嵌入式軟件的性能指標(biāo)通常圍繞實(shí)時(shí)性和資源效率展開(kāi)。以下是最重要的幾點(diǎn)指標(biāo)：
一、實(shí)時(shí)性
實(shí)時(shí)性指的不是“快”，而是“準(zhǔn)時(shí)”——硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)允許速度慢，但必須守時(shí)。
這個(gè)指標(biāo)直接影響到系統(tǒng)的交互性，這個(gè)指標(biāo)航空航天、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域至關(guān)重要。
例如，在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，車輛對(duì)突發(fā)狀況的響應(yīng)時(shí)間必須足夠短，以確保安全駕駛。一般來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間需要控制在毫秒級(jí)甚至微秒級(jí)。
1、實(shí)時(shí)性檢測(cè)工具
（1）Percepio View
Percepio View?是一款基于 Percepio Tracealyzer 的免費(fèi)追蹤工具，用作?FreeRTOS?應(yīng)用程序的監(jiān)控，便于調(diào)試和驗(yàn)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(guò)任務(wù)和 ISR 實(shí)時(shí)執(zhí)行情況 可視化的方式對(duì)調(diào)試器加以補(bǔ)充。
這些任務(wù)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(gè)實(shí)時(shí)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(duì)運(yùn)行時(shí)行為的深入了解，超越了傳統(tǒng)調(diào)試器的功能。
SystemView 可免費(fèi)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(fù)雜系統(tǒng)，它可以幫助開(kāi)發(fā)人員確保他們的系統(tǒng)按預(yù)期執(zhí)行，識(shí)別低效率，并發(fā)現(xiàn)意外的交互或資源沖突。
通過(guò)調(diào)試接口記錄來(lái)自嵌入式系統(tǒng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，SystemView詳細(xì)地可視化任務(wù)、中斷和軟件定時(shí)器的執(zhí)行情況。
二、資源使用效率
這個(gè)指標(biāo)主要衡量系統(tǒng)硬件資源（如 CPU、內(nèi)存）的使用情況。
通過(guò)監(jiān)測(cè)資源利用率，可以了解軟件對(duì)硬件資源的需求和占用程度，避免資源過(guò)度占用或浪費(fèi)。
例如，如果 CPU 利用率長(zhǎng)期過(guò)高，可能導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)變慢甚至崩潰；內(nèi)存利用率過(guò)高則可能引發(fā)內(nèi)存泄漏等問(wèn)題。
CPU使用率定義為CPU在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)用于執(zhí)行計(jì)算任務(wù)的時(shí)間占總時(shí)間的比例。具體來(lái)說(shuō)，CPU使用率 = 1 - 空閑時(shí)間/總CPU時(shí)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(yùn)行，并為未來(lái)的功能擴(kuò)展預(yù)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(wù)切換和中斷事件，分析 CPU 占用熱點(diǎn)，支持 FreeRTOS、Zephyr 等 RTOS。
（2）FreeRTOS 運(yùn)行時(shí)統(tǒng)計(jì)功能（內(nèi)置）
https://www.freertos.org/Documentation/02-Kernel/02-Kernel-features/08-Run-time-statistics
在FreeRTOS中通過(guò) config GENERATE_RUN_TIME_STATS配置啟用，統(tǒng)計(jì)每個(gè)任務(wù)的 CPU 占用率及執(zhí)行時(shí)間。
無(wú)需額外工具，直接集成在 FreeRTOS 中，適合快速定位高負(fù)載任務(wù)。
（3）perf（Linux 內(nèi)置工具）
perf是一個(gè)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(wèn)、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(diǎn)函數(shù)分析報(bào)告
2、 內(nèi)存使用分析工具
（1）heap-monitoring
heap-monitoring是SEGGER SystemView中的應(yīng)用程序中的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)監(jiān)控工具。
在應(yīng)用程序使用C或C++堆、多個(gè)自定義堆或RTOS提供的內(nèi)存池對(duì)象，可以使用heap-monitoring跟蹤這些對(duì)象的使用情況，分析它們的使用模式，評(píng)估堆上的負(fù)載、識(shí)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(cè)（內(nèi)置）
在FreeRTOS中通過(guò)?config CHECK_FOR_STACK_OVERFLOW?配置檢測(cè)任務(wù)堆棧溢出。
實(shí)時(shí)監(jiān)控任務(wù)棧使用，防止內(nèi)存越界導(dǎo)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(cè)以及性能分析的軟件開(kāi)發(fā)工具。
Valgrind工具包包含多個(gè)工具：
其中Valgrind Massif工具是堆棧分析器。堆棧分析器，它能測(cè)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(yùn)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(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，它先于應(yīng)用程序獲取實(shí)際處理器的控制權(quán)，并在實(shí)際處理器的基礎(chǔ)上仿真一個(gè)虛擬處理器，并使應(yīng)用程序運(yùn)行于這個(gè)虛擬處理器之上，從而對(duì)應(yīng)用程序的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視。
應(yīng)用程序并不知道該處理器是虛擬的還是實(shí)際的，已經(jīng)編譯成二進(jìn)制代碼的應(yīng)用程序并不用重新進(jìn)行編譯，Valgrind 直接解釋二進(jìn)制代碼使得應(yīng)用程序基于它運(yùn)行，從而能夠檢查內(nèi)存操作時(shí)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。
所以在Valgrind下運(yùn)行的程序運(yùn)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(jī)器上使用Valgrind，并且是在開(kāi)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(shí)時(shí)性、功耗?和?成本。
1、代碼執(zhí)行效率檢測(cè)工具
（1）gprof
GNU gprof，這是一個(gè)經(jīng)典的性能分析工具，集成在GCC中，只需添加編譯選項(xiàng)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(gè)函數(shù)的調(diào)用次數(shù)和執(zhí)行時(shí)間，幫助定位熱點(diǎn)代碼。對(duì)于嵌入式開(kāi)發(fā)，可以在交叉編譯環(huán)境中使用。
編譯代碼時(shí)啟用分析：
gcc -pg -o my_app my_code.c
生成分析報(bào)告：
gprof my_app gmon.out > report.txt
四、其他指標(biāo)
可靠性：嵌入式系統(tǒng)，尤其是應(yīng)用于關(guān)鍵領(lǐng)域（如醫(yī)療設(shè)備、交通控制等）的軟件，可靠性是至關(guān)重要的指標(biāo)。軟件需要具備容錯(cuò)能力、錯(cuò)誤恢復(fù)能力和穩(wěn)定性，以應(yīng)對(duì)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(yùn)行。
功耗：低功耗設(shè)計(jì)可以延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間，減少充電頻率，提高用戶體驗(yàn)。同時(shí)，對(duì)于大規(guī)模部署的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，降低功耗還可以降低運(yùn)營(yíng)成本和對(duì)環(huán)境的影。
可預(yù)測(cè)性：確保所有任務(wù)在任意負(fù)載下均滿足截止時(shí)間（硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)的核心）。
通信吞吐量：在涉及網(wǎng)絡(luò)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(jí)別、調(diào)試代碼（如斷言）對(duì)性能的影響需在發(fā)布版本中評(píng)估。
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