【瑞萨RA4系列开发板体验】CoreMark移植完全指南——UART输出和SysTick计时的应用

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【瑞萨RA4系列开发板体验】CoreMark移植完全指南——UART输出和SysTick计时的应用

修改记录：

2022-11-27 初版开始
2022-12-03 初版完成

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RA-Eco-RA4M2-100PIN开发板上跑一下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
CoreMark移植

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RA4M2_CoreMark，如下图所示：

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，找到USB转串口部分：

可以看到，USB转串口芯片CH340G的TXD/RXD分别连接到P110、P109.

查阅用户手册：

可以知道，P109、P110引脚需要将功能设置为TXD9、RXD9才可以正常和PC通信，也就是SCI9。

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：

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：

因此，首先需要关闭JTAG功能，或者修改为SWD模式；否则，设置为UART功能时会报错。

将调试模式从JTAG改为SWD，具体操作如下。

在RASC中，切换到Pins标签页；
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：

P108、P300引脚也正是和开发板原理图相对应的。

继续找到Connectivity:SCI -> SCI9，将其设置修改如下图所示：

2.5 添加UART HAL配置

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：

鼠标选中之后，在Properties视图中，修改如下几个属性：

修改后Ctrl+S保存。

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

2.6 添加printf输出到UART支持

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：

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
野火瑞萨教程：https://doc.embedfire.com/mcu/renesas/fsp_ra/zh/latest/doc/chapter19/chapter19.html

主要实现代码如下：

#include <stdio.h>

#include "r_sci_uart.h"
#include "hal_data.h"

volatile bool uart_tx_done = false;

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

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

    uart_tx_done = false;

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

    return ch;
}

void debug_uart9_callback(uart_callback_args_t* p_args)
{
   switch (p_args->event)
   {
      case UART_EVENT_RX_CHAR:
            break;
      case UART_EVENT_TX_COMPLETE:
            uart_tx_done = true;
            break;
      default:
            break;
   }
}

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 添加SysTick计时支持

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：

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

主要实现代码如下：

#include <stdint.h>
#include "hal_data.h"

#define TICKS_PER_SECOND 1000

volatile uint32_t g_tick_count = 0;

void hal_systick_init()
{
    SysTick_Config(TICKS_PER_SECONDS);
}

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。

这样，在hal_entry中调用了hal_systick_init()之后，就可以使用hal_systick_get进行计时了。

使用hal_systick_get和TICKS_PER_SECOND进行计时，类似于使用标准库time.h中的clock()和CLOCKS_PER_SEC，如下：

uint32_t start = hal_systick_get();

// ...
// 一些需要计时的代码
// ...

uint32_t end = hal_systick_get();
float cost_secs = (end - start) / (float) TICKS_PER_SECOND;
printf("time cost: %f seconds.", cost_secs);

当然，你也可以在hal_entry.c中添加可以通过如下代码，对上述代码进行测试：

hal_uart9_init();
    printf("uart9 init done!\n");

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

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：

拷贝完成后，打开Keil，在Project视图中，通过“Add Exists Files to Group”菜单将刚刚拷贝的文件添加到项目中。

添加完成后，Project视图如下图所示：

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 以下新的宏定义：
#include "hal_systick.h"
#define CORETIMETYPE               uint32_t
#define GETMYTIME(_t)              (*_t = hal_systick_get())
#define EE_TICKS_PER_SEC              TICKS_PER_SECOND

3.2.2 修改`coremark.h`文件

core_portme.h文件中，需要新增两个宏定义：

#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

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：

通过Project视图，右击Target1之后，选中菜单“Options for Target ...”；
在“Options for Target ...”界面中，选中 C/C++ 标签页；
在 Include Paths 区域，点击右侧“...”；
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：

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

#define MAIN_HAS_NOARGC 1
core_main.c中，将main函数重命名为coremark_main：

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

hal_entry.c中，hal_entry函数中添加如下代码：
- 声明void coremain_main();
- 调用hal_systick_init();
- 调用coremain_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：

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：

跑分为：333.694836

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

可以看到官方的跑分为398.30分。

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/ra4m2-coremark

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RA4M2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RA4M2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。