痞子衡嵌入式：恩智浦i.MX RTxxx系列MCU特性介紹（2）- RT685EVKA效能實測(Dhrystone)

痞子衡發表於2019-05-15

　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是恩智浦i.MX RTxxx系列MCU的效能。

　　在前面的文章 i.MXRTxxx微控制器概覽 裡，痞子衡給大家簡介過恩智浦半導體在2018年推出的全新跨界微控制器i.MX RTxxx系列，該系列第一款晶片i.MXRT600搭載一顆Cortex-M33控制核心和一顆Tensilica HiFi4 DSP處理核心，該晶片可在超低功耗邊緣處理應用中實現高效本地音訊預處理、沉浸式3D音訊播放和支援語音的體驗。今天痞子衡先為大家實測一下其Cortex-M33控制核心的效能，效能測試程式採用經典的Dhrystone演算法。

　　關於Dhrystone標準的基本知識，痞子衡之前專門寫過一篇文章 微處理器CPU效能測試基準(Dhrystone) ，本篇就是基於瞭解Dhrystone基本知識之後的一次實踐。來，讓我們開始吧。

一、準備工作

1.1 硬體平臺NXP i.MX RT600 EVK

　　要開始實測i.MXRT600的Dhrystone，首先你得有一塊開發板，恩智浦官網上有i.MXRT600配套的評估板，如下圖所示，痞子衡今天用的就是這塊板子，板載主晶片型號為iMXRT685EVKA。

痞子衡嵌入式：恩智浦i.MX RTxxx系列MCU特性介紹（2）- RT685EVKA效能實測(Dhrystone)

1.2 整合開發環境IAR EWARM

　　ARM Cortex-M微控制器的整合開發環境有很多，其中IAR EWARM憑藉優良的特性備受廣大工程師青睞，今天痞子衡就選用IAR作為軟體環境，具體版本為IAR EWARM v8.32.2。

1.3 官方軟體開發包NXP MCUXpresso SDK

　　在開始移植Dhrystone程式到i.MXRT685上之前，我們需要先有一個i.MXRT685的基本hello world的例程，當然我們可以對著資料手冊自己從頭寫一個，但是這裡痞子衡推薦使用官方軟體開發包。
　　註冊並登入恩智浦官網，來到 MCUXpresso SDK Builder 頁面，在"Select Development Board"裡選擇EVK-IMXRT685後點選Build MCUXpresso SDK後跳轉到下一個頁面，在"Developer Environment Settings"裡選擇IAR並點選Download SDK後便可得到SDK_2.5.0_EVK-MIMXRT685.zip，下面是痞子衡下載的開發包具體版本資訊：

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二、開始實測

2.1 跑通hello world

　　使用USB線連線電腦與板子的J5 USB口，此時在裝置管理器應該可以看到USB虛擬的串列埠（EVK板載LPC-LINK2偵錯程式內含USB轉串列埠功能，如果看不到串列埠，請自行安裝LPC-LINK2驅動）。
　　開啟前一步下載的開發包裡的\SDK_2.5.0_EVK-MIMXRT685\boards\evkimxrt685\demo_apps\hello_world\iar\hello_world.eww工程，確認工程option裡linker檔案選擇的是MIMXRT685Sxxxx_ram.icf，然後使用板載偵錯程式直接將工程下載進主晶片的RAM執行。
　　如果工程執行正常，你在串列埠除錯助手（115200，8N1）裡應該能看到"hello world."列印輸出。

2.2 移植Dhrystone程式

　　以hello_world工程為基礎，將從Roy Longbottom的網站下載到的classic_benchmarks.tar.gz包解壓，將\classic_benchmarks\source_code\dhrystone2\路徑下的如下所有原始檔(.c或.h)全部拷貝到hello world工程目錄下

\classic_benchmarks\source_code\dhrystone2
                                          \dhry.h          --關於相容性的原型定義
                                          \dhry_1.c        --主程式入口
                                          \dhry_2.c        --演算法子程式

　　將上面所有Dhrystone原始檔全部新增進hello_world工程並將工程更名為dhrystone，然後再將工程中原主函式入口檔案hello_world.c更名為dhrystone.c，此時基本Dhrystone工程就完成了。但注意此時工程無法編譯，因為Dhrystone原始檔還需要進一步修改。

2.2.1 適配嵌入式平臺

　　我們下載的Dhrystone原始碼本用作在PC上執行的，所以原始碼裡面有一些僅適用於PC上執行的程式碼，比如計時部分、檔案I/O部分，需要將這些程式碼全部刪除以適合在嵌入式平臺執行。
　　關於計時部分，需要刪除dhry_1.c檔案裡的#include < time.h> 語句，並且刪除dhry.h檔案裡跟TIME巨集相關的如下程式碼：

#ifndef TIME
#define TIMES
#endif
/* Use times(2) time function unless    */
/* explicitly defined otherwise         */

#ifdef TIMES
#include <sys/types.h>
#include <sys/times.h>
/* for "times" */
#endif

　　關於檔案I/O部分，需要刪除dhry_1.c檔案裡的#include < stdio.h> 語句，以及如下涉及檔案I/O（主要是關於Dhry.txt的操作）的程式碼：

#include <stdio.h> // 需刪除

void main (int argc, char *argv[]) // 需更改為void main(void)
{
    // ...
    // 以下程式碼需刪除
    /* Initializations */
    if (argc > 1)
    {
        switch (argv[1][0])
        {
            case 'N':
                nopause = 0;
                break;
            case 'n':
                nopause = 0;
                break;
        }
    }

    if ((Ap = fopen("Dhry.txt","a+")) == NULL)
    {
        printf(" Can not open Dhry.txt\n\n");
        printf(" Press Enter\n\n");
        int g = getchar();
        exit(1);
    }

    // ...
    {
        // ...
        /************************************************************************
         *                Add results to output file Dhry.txt                   *
         ************************************************************************/
        fprintf (Ap, " #####################################################\n\n");
        fprintf (Ap, " Dhrystone Benchmark 2.1 %s via C/C++ %s\n", options, timeday);
        // ...
        fclose(Ap);
    }
}
2.2.2 板級初始化

　　上一節裡已經將dhry_1.c裡面的main函式形參int argc, char *argv[]改成了void，由於dhrystone.c（原hello_world.c）裡已有main函式，且該main函式中含有板級初始化程式碼，所以我們需要將dhry_1.c裡的main函式更名（比如可更名為dhrystone()），使dhrystone原始碼作為子程式來呼叫，這樣便於往不同MCU平臺移植，最後直接dhrystone.c裡的main函式中增加dhrystone()的呼叫即可。

// dhry_1.c檔案中
void main (void) // 需更改為void dhrystone(void)
{
    ...
}

// dhrystone.c檔案中
int main(void)
{
    /* Init board hardware. */
    BOARD_InitPins();
    BOARD_BootClockRUN();
    BOARD_InitDebugConsole();

    // 增加的dhrystone函式呼叫
    dhrystone();

    while (1)
    {
    }
}
2.2.3 計時功能

　　原dhry_1.c檔案裡的關於計時部分的程式碼應該做一些微調整，time.h標頭檔案的包含應該去除，這是Windows系統裡的標頭檔案，start_time(), end_time()是基於time.h裡clock_gettime()函式而封裝的API，secs是用於記錄時間差的變數，這些API和全域性變數都可以保留，但需要用MCU裡的計時器重新實現。

#include <time.h> // 需刪除

void dhrystone (void)
{
    // ...
    do
    {
        start_time();
        // ...
        end_time();
        User_Time = secs;
    }
    while (count >0);
}

　　關於計時器，第一個想到的自然是Cortex-M核心裡的SysTick，不過考慮到Dhrystone程式是要跑在300MHz的主頻下，而SysTick計時器只有24bit，也就是說即使SysTick->LOAD設最大的reload值0xFFFFFF，也將每隔0.05592s(0x1000000/300MHz)產生一次SysTick中斷，而Dhrystone程式至少要跑2s以上，在Dhrystone執行的2s內會產生35次（2/0.05592）SysTick中斷，這無疑會降低Dhrystone得分，所以SysTick直接被pass。(備註：SysTick->CTRL[2]用於選擇SysTick的時鐘源，預設1'b0為Core Clock，1'b1為外部clock，暫未研究這裡的外部clock在i.MXRT105x上是否能用)。
　　翻看i.MXRT685的參考手冊，其支援的計時器種類很多，有CTIMER、SCT、MRT、UTICK、WWDT，就選擇比較常用的32bit計時器CTIMER吧。
　　之前下載的軟體包裡也有CTIMER的例程\SDK_2.5.0_EVK-MIMXRT685\boards\evkimxrt685\driver_examples\ctimer，開啟simple_match_interrupt.c檔案將其中CTIMER初始化相關程式碼放入新定義的timer_ctimer_init()函式中並在start_time()中呼叫timer_ctimer_init()一次以完成CTIMER初始化。
　　此外還需要新增定義#define CLOCKS_PER_SEC (16000000)，因為CTIMER選擇的時鐘源是16MHz。

#define CLOCKS_PER_SEC (16000000)

volatile uint32_t s_timerHighCounter = 0;
void ctimer_match0_callback(uint32_t flags)
{
    s_timerHighCounter++;
}

void timer_ctimer_init(void)
{
    ctimer_config_t config;

    /* Use 16 MHz clock for the Ctimer2 */
    CLOCK_AttachClk(kSFRO_to_CTIMER2);

    CTIMER_GetDefaultConfig(&config);
    CTIMER_Init(CTIMER, &config);

    /* Configuration 0 */
    matchConfig0.enableCounterReset = true;
    matchConfig0.enableCounterStop = false;
    matchConfig0.matchValue = (uint32_t)~0;
    matchConfig0.outControl = kCTIMER_Output_Toggle;
    matchConfig0.outPinInitState = false;
    matchConfig0.enableInterrupt = true;

    CTIMER_RegisterCallBack(CTIMER, &ctimer_callback_table[0], kCTIMER_SingleCallback);
    CTIMER_SetupMatch(CTIMER, CTIMER_MAT0_OUT, &matchConfig0);
    CTIMER_StartTimer(CTIMER);
}

void start_time(void)
{
    timer_ctimer_init();
    s_timerHighCounter = 0;
}

void end_time(void)
{
    uint64_t retVal;
    uint32_t high;
    uint32_t low;
    do
    {
        high = s_timerHighCounter;
        low = CTIMER_GetTimerCountValue(CTIMER);
    } while (high != s_timerHighCounter);
    retVal = ((uint64_t)high << 32U) + low;
    
    CTIMER_StopTimer(CTIMER);

    secs = retVal / (CLOCKS_PER_SEC * 1.0);
}
2.2.4 串列埠列印功能

　　串列埠列印功能的改動比較簡單，直接把原dhry_1.c檔案裡的printf()全部替換成PRINTF()即可，PRINTF函式在原hello world工程裡已經實現了。

2.3 Dhrystone引數配置

　　痞子衡在Dhrystone標準的基本知識介紹裡說過，Dhrystone幾乎沒有引數配置，唯一需要注意的就是REG，Cortex-M33平臺支援register關鍵字，所以我們在IAR工程option裡巨集定義框內加上 REG=register。
　　此外我們還需要在巨集定義框內設定額外兩個巨集 NUMBER_OF_RUNS、CORE_FREQ_MHz，前者代表跑dhrystone核心演算法程式的總次數，後者是當前MCU實際執行主頻。最後還需要設定一下IAR的優化選項，如下圖所示：

痞子衡嵌入式：恩智浦i.MX RTxxx系列MCU特性介紹（2）- RT685EVKA效能實測(Dhrystone)

2.4 輸出Dhrystone結果

　　到這裡Dhrystone的移植工作就完全結束了，此時Dhrystone工程也應該能正常編譯了。為得到最高的Dhrystone得分，最後需要再確定兩件事：一、Core Clock是否確定配置為300MHz；二、工程程式碼段/資料段是否放在了SRAM。
　　開啟clock_config.c檔案，檢視BOARD_BootClockRUN()函式，ARM Core/AHB時鐘僅保守地配了250MHz，讓我們修改Pfd0的分頻係數，從19修改為16，直接超頻到300MHz。

void BOARD_BootClockRUN(void)
{
    // ...

    CLOCK_InitSysPll(&g_configSysPll); /* Configure system PLL to 528Mhz. */
    /* Valid PFD values are decimal 12-35. */
    // 將分頻係數修改16
    // CLOCK_InitSysPfd(kCLOCK_Pfd0, 19); /* Enable main PLL clock 500MHz. */
    CLOCK_InitSysPfd(kCLOCK_Pfd0, 16); /* Enable main PLL clock 594MHz. */

    // ...

    /* Let CPU run on SYS PLL PFD0 with divider 2. */
    CLOCK_SetClkDiv(kCLOCK_DivSysCpuAhbClk, 2);
    CLOCK_AttachClk(kMAIN_PLL_to_MAIN_CLK);

    // ...
}

　　再開啟MIMXRT685Sxxxx_ram.icf檔案，檢視text/data段確實放在了SRAM裡(0x0 - 0x47FFFF)：

define symbol m_interrupts_start               = 0x00080000;
define symbol m_interrupts_end                 = 0x00080143;

define symbol m_text_start                     = 0x00080144;
define symbol m_text_end                       = 0x001BFFFF;

define symbol m_data_start                     = 0x001C0000;
define symbol m_data_end                       = 0x002FFFFF;

　　還等什麼？將Dhrystone工程趕緊下載進晶片並開啟串列埠除錯助手看Dhrystone得分啊。痞子衡實測的Dhrystone得分為400 DMIPS。
痞子衡嵌入式：恩智浦i.MX RTxxx系列MCU特性介紹（2）- RT685EVKA效能實測(Dhrystone)

　　想偷懶的朋友直接移步痞子衡的github https://github.com/JayHeng/Cortex-M-Apps 去下載移植好的工程，工程在\Cortex-M-Apps\apps\dhrystone_imxrt685\bsp\下面。

　　至此，恩智浦i.MX RTxxx系列MCU的Dhrystone效能與實測痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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