使用Streamline分析RTOS系统性能

章政

July 31, 2018

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本文翻译自Analyzing the performance of RTOS-based systems using Streamline

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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

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。

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:

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？

系统中使用了哪种CPU，本文是Cortex-M33

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

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。

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。

 enable_barman();                      // Enable barman

barman集成代码如下

#include "barman.h"
#include "rtx_lib.h" // provides osRtxThreadxxx functions and os_thread_t type

/*
 * Perform the necessary initialization of the bare-metal agent
 */
static void enable_barman(void)
{
   /* For M-class, the cycle counter provides the timestamps, so convert it to nS by multiplying by 10**9 and dividing by the clock frequency in Hz */
    const struct bm_protocol_clock_info clock_info = { .timestamp_base = 0,
                                                       .timestamp_multiplier = 1000000000,
                                                       .timestamp_divisor = 25000000, /* 25MHz system freq of AN521 FPGA */
                                                       .unix_base_ns = 0 };

#if BM_CONFIG_MAX_TASK_INFOS > 0
    const struct bm_protocol_task_info task_entries[] =
    {
        { (bm_task_id_t)tid_phaseA,   "phaseA" },
        { (bm_task_id_t)tid_phaseB,   "phaseB" },
        { (bm_task_id_t)tid_phaseC,   "phaseC" },
        { (bm_task_id_t)tid_phaseD,   "phaseD" },
        { (bm_task_id_t)tid_clock,    "clock" },
        { (bm_task_id_t)tid_app_main, "app_main" },
        { (bm_task_id_t)(osRtxConfig.idle_thread_attr->cb_mem), "osRtxIdleThread" },
        { (bm_task_id_t)(osRtxConfig.timer_thread_attr->cb_mem), "osRtxTimerThread" },
    };
#endif

    /* Initialize barman but if there is a problem we will loop here */
    while (!barman_initialize_with_itm_interface("RTX5 Cortex-M33 Streamline bare-metal example", &clock_info,
#if BM_CONFIG_MAX_TASK_INFOS > 0
                              /* All the tasks */
                              8, task_entries,
#endif
#if BM_CONFIG_MAX_MMAP_LAYOUTS > 0
                              /* We only have one image for all tasks so we don't need to provide these */
                              0, BM_NULL,
#endif
                              1));

    /* Now we are ready to enable sampling */
    barman_enable_sampling();
}

/* Allow barman to read the current thread id from RTX */
bm_task_id_t barman_ext_get_current_task_id(void)
{
  return (bm_task_id_t)osRtxThreadGetRunning();
}

/* Allow RTX to inform barman when a task switch occurs */
extern void $Super$$osRtxThreadSwitch(os_thread_t *thread);

void $Sub$$osRtxThreadSwitch(os_thread_t *thread)
{
  $Super$$osRtxThreadSwitch(thread);                               // Call the original osRtxThreadSwitch
  barman_record_task_switch(BM_TASK_SWITCH_REASON_PREEMPTED);      // Record the task switch
}

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 [path\to\a\local\folder] 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