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移知SoC培训 · 8月14日

使用Streamline分析RTOS系统性能

章政July 31, 2018

Streamline是DS-5中的性能分析工具, Streamline可以用来分析裸机系统,RTOS,Linux,Android和Tizen系统的性能。

通过Streamline可以更详细地了解软件的运行,让arm优化工作更简单,你可以将游戏运行的更流畅,榨干GPU性能,找到程序的热点让SoC运行的更有效率。

本文描述了如何在RTOS系统中使用Streamline进行性能分析,Streamline可以揭示哪个函数在系统运行中占用时间最多,以及线程的活动
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文中例子基于Keil RTOS RTX5,目标系统基于arm Cortex M33,但在Cortex-A, Cortex-R, Cortex-M系统中都可以运行。DS-5中还包含一个基于Cortex-A9的例子,这里有一个视频可以用来辅助理解本文。

用Streamline分析基于RTOS的应用可以分为以下四步:

生成采集数据的代码,barman。
把barman代码集成到待分析的应用中。
运行程序,收集数据
将采集来的数据导入Streamline
为了演示这些步骤,我们来导入一个DS-5中已经准备好的例子,这是一个用C语言编写的多线程程序,使用arm compiler 6进行编译,和CMSIS Pack中的RTX5库链接生成镜像。为了导入这个例子,我们执行如下步骤,File > Import > DS-5 > Examples & Programming Libraries,在Import对话框,展开Examples > Streamline Bare-Metal Agent Examples,选择RTX5_Cortex-M33_Blinky_Streamline例子,点击Finish。用到的CMSIS包会自动导入,这里也可以看到基于arm Cortex A9的例子。
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例子中已经做好了上面要求的第一步和第二步,但是我们这里还是演示了如何操作,方便你将来在自己的项目中集成。

第一步,生成数据采集代码
第一步使用Streamline中的Generate Barman sources代码向导,生成barman代码。启动Streamline,选择Streamline > Generate Barman sources:
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向导对话框会指引你进行一系列配置。比如,如何保存和传输采集来的数据(保存在板载的内存上,还是通过ITM输入到Debugger)?对几个CPU进行分析?本文中只用了一个核,但是多核也是可以的。应用中最多有几个任务?
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系统中使用了哪种CPU,本文是Cortex-M33
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要采集来自哪些Counter数据?可以在左边的窗口按Ctrl+A进行全选,拖入右边的窗口
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接下来会设置采样率,和你自己定制的Counter,最后生成barman代码,包含两个代码文件,barman.c/barman.h。这两个文件会编译链接到你的程序中,同时还有barman.xml文件,这个文件包含你前面的配置信息,可以后面用来修改,重新生成代码文件。
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第二步,将barman代码集成到RTOS应用中

将barman代码集成到应用中,这样才可以采集数据。Streamline已经帮我们生成了barman代码,我们只需要后面再应用中调用它即可。

初始化barman
允许barman从RTOS中读取当前threadID
让RTOS在任务切换的时候通知barman
完整的barman API和参数说明可以在Streamline的文档中找到。

将barman初始化代码加入main函数。
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barman集成代码如下
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注意代码中的 Arm Linker (armlink) $Sub/$Super mechanism ,这里我们使用arm链接器的特性去修改RTOS代码中的一个函数,从而避免直接修改RTOS代码。GCC链接器也可以通过参数"--wrap"添加类似功能。

然后用arm编译器6编译整个工程。如果你是使用makefile来管理整个工程,你需要将barman.c加入到编译文件中,并将生成的barman.o链接到最后应用里。如果你是使用Eclipse,它会自动完成文件添加并重新编译。

第三步,运行应用进行数据采集
重新编译整个工程后,下载,在目标设备上运行应用进行数据采集。本例使用 Arm MPS2+ board,基于FPGA的arm Cortex-M33软核。通过DStream连接开发板,Dstream用来启动/停止控制,并通过ITM从开发板采集数据,所以我们在开始前要配置DS-5,采集ITM Trace信息。将Dstream和板子连接,启动应用,采集数据,停止,通过"trace dump"命令将数据保存到PC上。如果你的应用是将数据保存在内存中,请使用“dump memory”。

启动DS-5。
选择Run > Debug Configurations。
在Debug Configurations对话框中创建一个调试连接,本例中展开左边对话框的DS-5配置选项,选择RTX5_Cortex-M33_Blinky_Streamline_MPS2。
在Connections面板,在调试器地址中输入DStream的IP地址或者USB ID,或者从列表中选择。
ITM配置可以点击 DTSL Options Edit... 按钮,在Trace Capture栏选择DSTREAM 4GB Trace Buffer,在ITM栏勾选Enable CSITM Trace,点击OK,保存DTSL配置。
点击Debug开始调试,本例将下载编译好的镜像到开发板,并将PC设到程序第一条指令。
调试需要DS-5调试视图,如果这个时候出现视图切换对话框,点击确认。
通过电子调试视图中的绿色Continue按钮 ,或F8执行程序。
程序运行时DStream通过ITM采集数据,你会看到Trace视图中的Buffer Used数字一直在增长。
几秒钟后,点击调试视图中的Interrup,或者按F9停止应用。
在命令行,输入 trace dump [pathtoalocalfolder] CSITM
第四步,将数据导入Streamline
最后一步是将采集到的数据用Streamline的采集向导导入,采样的数据可以用来分析源码的符号信息,Streamline可以用来将它可视化。

启动Streamline
在Streamline Data视图,点击Import Capture File(s)...,选择刚刚保存的CSITM_0.bin。
在Select what to Import中,选择Barman Agent Capture (via ITM),点击Next。
在Provide Required Files,选择刚才执行的镜像文件(本例中是RTX5_Cortex-M33_Blinky_Streamline.axf),和barman.xml文件。
在左侧的Streamline Data视图,右键单击刚才创建的工程,选择Analyse...,勾选执行镜像(RTX5_Cortex-M33_Blinky_Streamline.axf),点击Analyse。
经过一会处理,Streamline会显示barman.xml中选择的那些计数器的时序图
我们来看看图形化效果

时序图中将计数器和线程活动相关联,本例中,我们通过代码标注不同线程运行的时间,下图中的红色长条表示phaseA,绿色长条表示phaseB,蓝色表示phaseC,黄色表示phaseD。
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函数调用栏显示每个函数在该线程中占用的时间比例。
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函数栏,显示每个函数在整个运行中占用的时间。

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双击函数,可以得到每个函数被采样的次数,以及相应源码。

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最后,Log栏显示应用代码中添加的标注。
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如果你想改变时序图中显示的计数器,你可以通过Streamline > Generate Barman sources进行修改。重新生成barman.c/.h/.xml,重新编译代码,运行,分析。

综上,我们看见了如何利用Streamline分析RTOS系统的性能,找到系统或者应用的热点,你可以集中精力优化这些热点来最大效率地提高系统的整体性能。

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