使用在线仿真器(ICE)进行程序优化

        目前，在线仿真器(In Circuit Emulator，ICE)在嵌入式系统开发中被越来越多的工程师所采用。尤其是在国外嵌入式开发公司中，ICE是一种必备的调试工具，被大规模地应用，以提高开发调试阶段的效率。但在国内，由于调试习惯和开发成本的原因，仿真器更多是在产品开发初期的底层驱动程序调试阶段中被应用。当产品的性能比较稳定后，工程师往往会采用串口调试方法进行应用程序的调试。

与仿真器调试相比，串口调试的功能比较简单，人机交互功能也不够友好。遇到复杂的程序错误时，开发效率可能会大大降低。一个功能强大的ICE，往往能够提供丰富的调试手段，使调试工作事半功倍。ICE为嵌入式调试工作所带来的方便和高效，只有使用者才能够深刻地体会。

现在市面上的ICE种类很多，功能也有很大的不同。很多仿真器只能提供基本的调试功能，如设置断点、系统资源的观测等。有些高级功能，如嵌入式跟踪宏单元(Embedded Trace Macrocell，ETM)跟踪功能，只有一些高端仿真器才会提供，当然价格也比一般仿真器要高出不少。本文主要介绍使用ICE在程序优化方面的一些应用，其中要用到一些高级功能。

功能1：任意两条语句间的运行时间的测量

当编好一段代码，想计算这段代码的运行时间，为代码优化提供依据，该如何准确测量这段时间？

没有仿真器的话，有以下两种方法可以采用：

1. 手动计时，从执行到这段代码时开始看手表计时，到这段代码运行结束时停止计时。这种方式误差很大，对于执行时间只有几个微秒甚至更短时间的代码段，这种方式显然不能满足要求。

2. 在代码中加入计时函数。这种方式具有一定准确度，但是会增加代码的复杂度，计时结果需要打印输出。

如果使用ICE仿真器，这个工作就变得很简单了。以横河公司的advicePRO为例，在其所使用的自带的调试软件microVIEW-PLUS(以下简称MVP)中，既不需要看手表也不需要修改代码，只要在代码两端设置断点就可以轻松获得这段代码的运行时间，而且精确度可达20ns的范围。如图1所示，在执行到第一个断点b1时，将窗口状态栏中的时间清零，再执行代码，程序停在第二个断点b2时，这段代码的执行时间就会精确地显示在状态栏中。

图1：设置断点，以进行两条语句间的运行时间的测量。

功能2：两条语句间的运行时间的多次测量和分析

对于同一段代码，由于运行条件不同，运行时间也不尽相同，可能会有较大的变化。如何对某段代码的运行时间进行统计，真正达到性能分析的目的呢？

在使用仿真器时，可以重复“优化功能1”中的测量功能，进行手动统计。但这样做的缺点是费时费力，也不能真正反映程序实时运行时的状态。

带ETM跟踪功能的ICE仿真器可以提供一种简便的测量功能，可以连续对程序进行指定次数的时间测量，并自动进行时间统计。但不是所有带ETM跟踪功能的仿真器都有这样的功能,下面仍以横河公司的advicePRO为例介绍该功能的使用。具体测量步骤如下：

1.在程序段设置的起始和结束事件点：事件(Event)是指程序执行过程中的能够被检测到的各种活动。例如，某个函数或者某个地址上语句的执行，某个地址上数据的读写，甚至监测到的外部触发信号都可以被定义成事件，作为跟踪功能和时间测量的起始或者终止条件。图2是通过设置窗口将某个源代码文件的第184行的取指(Fetch)状态作为事件e0。假设要测量LCD_test.c文件中for循环中的184行至191行的运行时间，根据图2中的方法在184行和191行设置两个事件e0和e1。(见图3)

图2：在设置窗口中设置源代码文件的起始点。

图3：在程序文件中设置了起始点和结束点后的MVP窗口。

2.设定外部输出条件:将e0、e1设为外部输出条件，如图4所示。

图4：设置外部输出条件。

3.设定测量条件:在图5所示的窗口中，将e0、e1设定为时间测量的起点和终点，并进行测量模式的设定。可以进行超过指定时间和在指定时间之内的测量统计。

图5：设定时间测量的起点和终点，并进行测量模式的设定。

4.运行程序:做好以上设定之后，可以运行程序，进行时间测量。

5.测量结果显示:测量结束后，测量结果会以图表形式自动显示在报告窗口中，并且显示最长、最短、平均运行时间。(见图6)通过这个图表，用户可以清晰地了解这段代码的运行时间分布情况，为代码优化提供最直接的依据。

图6：通过以图表形式显示的测量结果，可以清晰地了解代码的运行时间分布。

功能3：测量代码覆盖率

代码覆盖率(Coverage Ratio)是指在一段代码中被执行到的语句占这段代码的比例。它是衡量代码质量的一个重要的指标，在代码测试工作中经常会被用到。在PC应用程序中测试代码覆盖率不是一件很难的事情，但是在嵌入式系统的实时环境中进行测量就比较困难。

横河公司的advicePLUS仿真器就提供了这样的扩展功能，使嵌入式环境下测量代码覆盖率变成一件可以轻松完成的事情。设置方法很简单，只要在MVP的相应设置窗口中给出被测代码段的起始和终止地址，或者给出被测函数的名称即可。(见图7)

图7：在MVP中进行代码覆盖率分析。

程序运行结束后，代码覆盖率也会以图表的形式显示在结果窗口中。(见图8)从图表中可以很明显看出各个函数的代码执行情况。

如：函数Strcpy()的代码覆盖率为0，说明此函数没有被执行过，对于编程者来说就要考虑这个函数是否有存在的必要。对于覆盖率很低的函数，需要考虑是否需要将此函数并入其他函数之中。

图8：以图表形式显示的代码覆盖率。

不只代码覆盖率可以测量，某一地址范围内的数据覆盖率也可以进行类似的测量。这一功能让使用者可以轻松掌握数据区的使用率信息。(见图9)

图9：测试指定地址范围内的数据覆盖率。

在嵌入式开发中进行程序优化并不是一件很容易的事情，ICE仿真器提供的这些功能可以让程序优化变得简单，让程序员能更有效地配置系统资源。

需要注意的是，这些功能并不是所有ICE仿真器都能提供的。选择功能强大的仿真器能够给开发者带来的不只是开发效率的提高，也能够帮助开发者提高代码质量，使企业产品能够更加稳定可靠地运行。

　

　作者：张国跃

技术工程师

上海横河国际贸易有限公司