【瑞萨RA6系列】CoreMark移植完全指南——UART输出和SysTick计时

news2024/10/7 18:30:42

一、CoreMark简介

什么是CoreMark？

来自CoreMark首页的解释是：

CoreMark is a simple, yet sophisticated benchmark that is designed specifically to test the functionality of a processor core. Running CoreMark produces a single-number score allowing users to make quick comparisons between processors.

翻译一下就是：

CoreMark是一个简单而又精密的基准测试程序，是专门为测试处理器核功能而设计的。运行CoreMark会产生一个“单个数字”的分数，（从而）允许用户在（不同）CPU之间进行快速比较。

简单来说，就是一个测试CPU性能的程序，类似PC上的Cinebench、CPU-Z之类的CPU性能测试工具。

了解了CoreMark是什么之后，接下来我们尝试在瑞萨FPB-RA6E1快速原型板上跑一下CoreMark，看看分数是多少。

接下来就可以开始进行CoreMark移植了，为了让移植步骤清晰明确，这里我把移植分为两大部分：

  • 基础功能支持，即创建一个支持输出和计时的项目
  • CoreMark移植，即将CoreMark源码添加到项目中，并修改CoreMark源码，使其能够正常运行

二、基础功能支持

CoreMark是一个基准测试功能程序，在MCU上运行它通常依赖两个基础功能：

  • 打印输出
    • 一般使用print打印，输出到UART串口（使用PC接收UART输出的内容）
  • 精准计时
    • 一般使用SysTick计时，精度通常为毫秒级别

2.1 创建RASC项目

首先是RASC创建项目，名为RA6E1_CoreMark，如下图所示：

image-20230528142237578

接着，选择MCU、TrustZone、RTOS，和上一篇一样即可生成Keil项目。

2.2 确认UART引脚

查阅开发板原理图，发现JLink OB和主控芯片直接只有JTAG/SWD接口的连接，没有UART接口连接。因此，只能用Arduino接口的串口了：

image-20230528143454910

可以看到，Arduino接口上：

  • D0/RX 连接在主控芯片的P109上，对应功能为TXD9
  • D1/TX 连接在主控芯片的P110上，对应功能为RXD9

查阅用户手册，和原理图中的TXD9、RXD9也可以对应上：

image-20230528144122571

2.3 打开RASC配置

如果RASC没有关闭，则可以直接进行配置，无需额外操作。

如果RASC已经关闭，可以通过Manage Run-Time Environment菜单，打开已有配置，具体步骤如下图所示：

RASC_with_keil_open_config.png

以上截图自RASC帮主文档，说的比较清楚，图文并茂，这里就不翻译了。

2.4 配置UART引脚功能

默认创建的RASC项目中，P109、P110为JTAG功能，如下图所示：

image-20230528144559109

因此，将P109、P110设置为TXD、RXD功能之前，需要将调试配置从JTAG修改为SWD；否则，将其设置为UART功能时会报错。

首先，将调试模式从JTAG改为SWD，具体操作如下。

  1. 在RASC中，切换到Pins标签页；

  2. 找到System:DEBUG -> DEBUG0，将其设置修改为SWD，引脚修改为P108、P300，如下图所示：

    image-20230528145055038

    P108、P300引脚也正是和开发板原理图上的SWDIO、SWDCLK相对应。

接着，将P109、P110设置为TXD9、RXD9功能，具体操作如下：

  1. 在RASC中，在Pins标签页左侧找到Connectivity:SCI -> SCI9，并单击选中；

  2. 在Connectivity:SCI -> SCI9设置中，将其设置修改如下图所示：

    image-20230528145533435

修改完成后，记得Ctrl+S保存修改。

2.5 添加UART HAL组件

在RASC中，切换到Stacks标签页，依次点击“New Stack”->“Connectivity”->“UART”，添加一个uart组件，如下图所示：

image-20230528145913428

添加UART组件后，鼠标选中UART组件图标，如下图所示：

image-20230528150123567

在Properties视图中，修改如下几个属性：

image-20230528150419731

修改后Ctrl+S保存。

点击“Generate Project Content”按钮，生成Keil项目。

2.6 实现printf输出到UART

在Keil中，实现UART打印到printf需要重新实现C标准库的putc函数，具体参考下面两个资料：

  1. Keil官方文档：https://developer.arm.com/documentation/dui0475/c/the-arm-c-and-c—libraries/redefining-low-level-library-functions-to-enable-direct-use-of-high-level-library-functions
  2. 野火瑞萨教程：https://doc.embedfire.com/mcu/renesas/fsp_ra/zh/latest/doc/chapter19/chapter19.html

打开hal_entry.c，将头部代码修改为：

#include <stdio.h>
#include "hal_data.h"
#include "r_sci_uart.h"

void hal_uart9_init()
{
    R_SCI_UART_Open(&g_uart9_ctrl, &g_uart9_cfg);
}

volatile bool hal_uart_tx_done = false;

void hal_uart9_callback(uart_callback_args_t* p_args)
{
   switch (p_args->event)
   {
   	   case UART_EVENT_RX_CHAR:
           break;
       case UART_EVENT_TX_COMPLETE:
           hal_uart_tx_done = true;
           break;
       default:
           break;
   }
}

int fputc(int ch, FILE* f)
{
    (void) f;

    hal_uart_tx_done = false;
    R_SCI_UART_Write(&g_uart9_ctrl, (uint8_t *)&ch, 1);

    while (hal_uart_tx_done == false);
    return ch;
}

这里使用到的R_SCI_UART_Open和R_SCI_UART_Write是FSP的API，可以查阅FSP API参考，找到说明（或者查看头文件的注释）：

  • R_SCI_UART_Open：RA Flexible Software Package Documentation: UART (r_sci_uart) (renesas.github.io)
  • R_SCI_UART_Write：RA Flexible Software Package Documentation: UART (r_sci_uart) (renesas.github.io)

这样，在hal_entry中调用了hal_uart9_init之后，就可以使用printf输出到串口了。

2.7 测试printf输出到UART

接下来，在hal_entry函数的开头添加如下代码，对以上修改进行测试：

    hal_uart9_init();
    while (1) {
        printf("Hello, RA6E1!\r\n");
        R_BSP_SoftwareDelay(500, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);
    }

调试器设置可以参考上一篇帖子： 【瑞萨FPB-RA6E1快速原型板】简单开箱和RASC+Keil开发环境搭建。

重新编译，烧录，将开发板的Arduino扩展口的D0、D1通过USB转UART连接到PC，则可以在串口上看到输出了：

image-20230528152213742

2.8 实现基于SysTick的计时

CoreMark依赖计时功能，在基于ARM Cortex-M系列内核的MCU上，一般使用SysTick进行计时；例如RA4M2是基于Cortex-M33的。

而SysTick属于Cortex-M33的外设，关于SysTick的具体说明可以参考野火的一篇教程。

而在CMSIS（Cortex-M Software Interface Standard）软件包中，已经对Cortex-M系列内核自带的外设的操作接口进行了封装，我们在使用SysTick时一般只需要在代码中：

  1. 调用SysTick_Config函数设置SysTick中断频率；
  2. 编写SysTick_Handler函数实现SysTick中断处理；

主要实现代码如下：

#include <stdint.h>

#define TICKS_PER_SECOND 1000

volatile uint32_t g_tick_count = 0;

void hal_systick_init()
{
    SysTick_Config(SystemCoreClock / TICKS_PER_SECOND);
}

void SysTick_Handler(void)
{
    g_tick_count += 1;
}

uint32_t hal_systick_get()
{
    return g_tick_count;
}

这里，hal_systick.h中定义了宏TICKS_PER_SECOND，值为1000，也就是每秒1000次SysTick中断。

2.9 测试基于SysTick的计时

在hal_entry.c中，将hal_entry函数的开头的代码修改为：

    hal_uart9_init();

    hal_systick_init();
    while (1) {
        printf("ticks: %d\n", hal_systick_get());
        R_BSP_SoftwareDelay(1000, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);
    }

对上SysTick计时功能进行测试。

重新编译、下载后，可以看到串口输出如下：

image-20230528153225223

三、CoreMark移植

3.1 添加CoreMark源码

CoreMark代码仓：https://github.com/eembc/coremark.git

将代码下载下来之后，将其中的如下文件和目录拷贝到keil项目的src子目录下：

image-20230528153906822

拷贝完成后，重新使用RASC生成项目，RASC会自动将src目录下的源码文件添加到Keil项目。

3.2 修改CoreMark源码

CoreMark源码本身已经为了移植做了充分考虑了，移植到新的MCU裸机或OS上一般只需要修改很少代码即可，下面分别介绍。

3.2.1 修改core_portme.c文件

core_portme.c文件中，需要修改的是计时的几个宏定义，具体如下：

// 注释（或者删除）原来的这三个宏定义
//#define CORETIMETYPE               clock_t
//#define GETMYTIME(_t)              (*_t = clock())
//#define EE_TICKS_PER_SEC           (NSECS_PER_SEC / TIMER_RES_DIVIDER)

// 添加以下代码：
extern uint32_t hal_systick_get();
#define CORETIMETYPE               uint32_t
#define GETMYTIME(_t)              (*_t = hal_systick_get())
#define EE_TICKS_PER_SEC           1000

3.2.2 修改core_portme.h文件

core_portme.h文件中，需要新增几个宏定义：

#define ITERATIONS 4000    // 这个值需要保证能够运行至少10秒，可以先写一个值，运行不足10秒会报错，再回来修改
#define FLAGS_STR "-Ofast" // 这个值根据实际的编译优化选项进行填写，在最终输出种原样输出，实际上只要是字符串就行，无关紧要
#define MAIN_HAS_NOARGC 1  // coremark main不使用返回值
#define MAIN_HAS_NORETURN 1

这里我们将FLAGS_STR定义为-Ofast，编译选项也相应的修改为-Ofast。

3.3 解决编译问题

完成上述修改之后，开始编译可能会遇到如下问题：

  • 头文件找不到的问题；
  • main重复定义的问题；

下面分别介绍如何解决。

首先是——头文件找不到的问题，Keil中需要通过菜单将对应文件所在目录添加到搜索列表中，具体步骤为：

  1. 通过Project视图，右击Target1之后，选中菜单“Options for Target …”；
  2. 在“Options for Target …”界面中，选中 C/C++ 标签页；
  3. 在 Include Paths 区域，点击右侧“…”；
  4. 在弹出的“Floder Setup”界面中，将src和src/simple子目录添加上；

然后是——main重复定义的问题，原因是FSP框架中已经定义了一个main函数。解决办法是，修改代码，具体修改为：

  1. core_portme.h中，将MAIN_HAS_NOARGC宏定义代码行修改为：

    #define MAIN_HAS_NOARGC 1

  2. core_main.c中，将main函数重命名为coremark_main：

  3. coreamrk.h中，添加coremark_main声明的代码：

    #if MAIN_HAS_NOARGC
MAIN_RETURN_TYPE
coremark_main(void);
#else
MAIN_RETURN_TYPE
coremark_main(int argc, char *argv[]);
#endif

  4. hal_entry.c中，hal_entry函数中添加如下代码：

    • 添加#include "coremark.h"

    • 调用hal_systick_init()和hal_uart9_init()；

    • 调用coremark_main()，具体代码如下：

      void hal_entry(void)
{
    /* TODO: add your own code here */
    hal_uart9_init();
    hal_systick_init();

    printf("CoreMark running on Renesas FPB-RA6E1 ...\r\n");
    printf("porting by xusiwei1236: https://bbs.elecfans.com/user/731071/\r\n");
    coremark_main();
}

3.4 解决栈溢出问题

完成上面的操作步骤后，CoreMark项目就可以正常编译了。如果此时直接运行，将会发现系统复位，无法正常运行；通过断点调试，可以发现是因为栈空间不足导致的。

默认情况下，CoreMark使用的是栈内存进行的计算，而RASC默认的栈空间大小为1024字节（0x400）。需要增大栈内存大小，才可以正常运行CoreMark。

具体设置位于RASC菜单的BSP->Properties界面，将栈空间修改为4096（或者0x1000），如下图所示：

image-20230528162044646

四、CoreMark跑分

完成以上所有操作后，就可以在RA4M2上正常运行CoreMark程序了。CoreMark程序运行完成后，会输出具体跑分，如下图所示：

image-20230528162713962

跑分为：383.619450

官方跑分，可以在CoreMark项目官网的Scores页面查到，具体如下图：

image-20230528165628670

可以看到官方的跑分为790.27分，和实际测得的383差距不小。

网页上的编译选项为-Omax，Keil中也将编译选项修改为-Omax，跑分如下：

image-20230528170448291

这次测得的跑分为 466.47 ，也比网页上的要少。具体原因不太清楚，也不是本文关注的重点，本文重点介绍如何实现printf输出到UART以及基于SysTick的计时功能。

五、本篇总结

本文所有代码，以及具体修改，见代码仓：https://gitee.com/swxu/RA6E1_CoreMark.git

代码仓中的提交记录也体现了移植步骤，感兴趣的小伙伴课可以去看每个提交记录的修改。

本篇记录了完整的将CoreMark移植到RA6E1系列MCU的操作步骤，以及遇到问题的解决方法。CoreMark依赖的两个基础功能为——输出和计时，因此本篇介绍首先介绍了如何在RA6E1上实现printf输出到UART；然后介绍了如何实现基于SysTick的计时，最后才介绍CoreMark移植相关的源码修改和编译、运行问题解决。

六、参考链接

  1. **【瑞萨官网】**RA6E1参考手册（英文）： https://www.renesas.com/us/en/document/dst/ra6e1-group-datasheet?r=1521986
  2. **【瑞萨官网】**RA6E1硬件手册（英文）： https://www.renesas.cn/cn/zh/document/mah/ra6e1-group-users-manual-hardware?r=1521986
  3. **【RASC用户指南】**RA SC User Guide for MDK and IAR https://renesas.github.io/fsp/_s_t_a_r_t__d_e_v.html#RASC-MDK-IAR-user-guide
  4. **【Keil官方文档】**关于重定义库函数使用printf的说明：https://developer.arm.com/documentation/dui0475/c/the-arm-c-and-c—libraries/redefining-low-level-library-functions-to-enable-direct-use-of-high-level-library-functions
  5. 【野火 瑞萨RA系列FSP库开发实战指南】 SCI UART——串口通信：https://doc.embedfire.com/mcu/renesas/fsp_ra/zh/latest/doc/chapter19/chapter19.html
  6. 【野火 瑞萨RA系列FSP库开发实战指南】 SysTick——系统定时器：https://doc.embedfire.com/mcu/renesas/fsp_ra/zh/latest/doc/chapter17/chapter17.html

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