嵌入式性能指標(biāo)竟藏著這些秘密，你了解幾個？

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。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)通常圍繞實時性和資源效率展開。以下是最重要的幾點指標(biāo)：

一、實時性

實時性指的不是“快”，而是“準(zhǔn)時”——硬實時系統(tǒng)允許速度慢，但必須守時。

這個指標(biāo)直接影響到系統(tǒng)的交互性，這個指標(biāo)航空航天、工業(yè)自動化等領(lǐng)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(yīng)時間必須足夠短，以確保安全駕駛。一般來說，關(guān)鍵任務(wù)的響應(yīng)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(yīng)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(wù)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(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(fù)雜系統(tǒng)，它可以幫助開發(fā)人員確保他們的系統(tǒng)按預(yù)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(xì)地可視化任務(wù)、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(biāo)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(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)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(wù)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(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，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(wù)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(fù)載任務(wù)。

（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(yīng)用程序中的動態(tài)存儲監(jiān)控工具。

在應(yīng)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(fù)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(wù)堆棧溢出。

實時監(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(jìn)行調(diào)試，它先于應(yīng)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(chǔ)上仿真一個虛擬處理器，并使應(yīng)用程序運行于這個虛擬處理器之上，從而對應(yīng)用程序的運行進(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(jī)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。

圖像處理算法中，綜合考慮資源利用平衡，改用查表法進(jìn)行效率提升。通信協(xié)議解析中，減少冗余字符串操作函數(shù)調(diào)用次數(shù)。

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(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)。軟件需要具備容錯能力、錯誤恢復(fù)能力和穩(wěn)定性，以應(yīng)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(shè)計可以延長設(shè)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(shè)備，降低功耗還可以降低運營成本和對環(huán)境的影。

可預(yù)測性：確保所有任務(wù)在任意負(fù)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(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。

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