提高 printf 实时性能的4种技术

printf 语句长期以来一直是开发人员用来将人类可读信息获取到控制台上的基石，他们可以使用该控制台来理解和调试嵌入式系统。但是，printf 的问题在于它可能非常慢并且会影响系统的实时性能。例如，使用 9600 bps 的标准 UART 波特率会导致“Hello World！” 阻止应用程序超过 12 毫秒。在输出中添加一个简单的变量，时间会膨胀到超过 20 毫秒，这是现代嵌入式处理器的一生。有人可能想知道可以做些什么来改进 printf。事实证明，嵌入式开发人员可以使用多种技术来加速他们的 printf 语句，例如：

提高波特率

使用直接内存访问 (DMA) 控制器上的通道

使用 RTT

使用 ITM

让我们更详细地看一下这些内容。

技巧#1——提高波特率

第一个也是最明显的调整是增加波特率。数据通过通信介质传输的速度越快，所需的时间就越少，而实时影响保持在最低限度。然而，越来越快的问题在于，在某些时候，开发人员可能会达到处理和准备 printf 使用的缓冲区的时间成为主要时间阻碍的地步。

技巧 #2 – 在直接内存访问 (DMA) 控制器上使用通道

DMA 控制器可以是一个了不起的工具，开发人员可以使用它来卸载用于将文本打印到控制台的 CPU 周期。虽然开发人员经常使用 DMA 来收集传感器数据并在应用程序中移动数据，但 DMA 控制器也可用于将内存缓冲区传输到 UART。这意味着通过对 printf 的一些修改，嵌入式开发人员可以准备一个字符串缓冲区，然后启动 DMA 通道以将缓冲区传输到控制台，同时 CPU 执行其他实时应用程序代码。

技术#3——使用 ITM

使用 ARM 微控制器的开发人员还可以利用基于硬件的 ITM 将消息打印到控制台。ITM 能够分成 32 个不同的通道，每个通道都可以用来打印不同类型的消息。ARM CMSIS 标准包括开发人员利用 ITM 所需的 API 调用。开发人员需要做的就是修改 printf 或串行输出函数以调用 ITM_SendChar 并且字符将被添加到 ITM 以便通过跟踪通道传输回控制台。

技巧 #4 – 使用 RTT

RTT 是 SEGGER 的专有串行传输协议。它可以与他们的任何 J-Link 或 J-Trace 产品一起使用，以在几微秒或更短的时间内通过调试器将 printf 语句传回。RTT 可用于任何允许后台内存访问的微控制器。这允许在 CPU 执行其正常指令时同时访问数据和内存并在后台传输。

结论

printf 声明已经并将继续成为嵌入式开发人员在未来几年可用的重要工具。开发人员不能假设 printf 很快并且不会干扰实时系统性能，因为在许多情况下，它会。为了确保在不影响系统行为的情况下映射和使用 printf，开发人员需要发挥积极作用。