Jak zmierzyć liczbę klatek na sekundę (FPS) w systemach wbudowanych

Spis treści

Po co mierzyć liczbę klatek na sekundę (FPS) w systemach wbudowanych?

Pomiar liczby klatek na sekundę (FPS) w systemach wbudowanych pozwala ocenić, jak responsywny i płynny jest interfejs użytkownika w rzeczywistych warunkach sprzętowych. Daje to prosty i porównywalny wskaźnik, który ułatwia wykrywanie problemów z wydajnością, ocenę optymalizacji oraz walidację, czy system spełnia wymagania sprzętowe.

W praktyce wskaźnik FPS często służy jako szybki sygnał zwrotny podczas tworzenia aplikacji – wskazuje na problemy związane z obciążeniem procesora, przepustowością pamięci czy wydajnością wyświetlacza. Chociaż nie oddaje to pełnego obrazu sytuacji, to jest przydatnym punktem wyjścia do zrozumienia i poprawy ogólnej wydajności interfejsu użytkownika.

Jak zmierzyć liczbę klatek na sekundę (FPS) w systemach wbudowanych?

Pomiar liczby klatek na sekundę (FPS) w systemach wbudowanych nie jest tak prosty jak w środowiskach stacjonarnych. Zazwyczaj nie ma tam wbudowanego profilera, liczników GPU ani ustandaryzowanego potoku renderowania. Zamiast tego liczbę klatek na sekundę trzeba wyliczyć na podstawie tego, jak i kiedy ekran jest faktycznie odświeżany.

W praktyce pomiar FPS sprowadza się do odpowiedzi na jedno pytanie:

Jak często system generuje w pełni renderowaną ramkę?

Odpowiedź zależy od stosu graficznego, modelu renderowania i interfejsu wyświetlacza.

Co oznacza termin „ramka” w kontekście systemów wbudowanych?

Zanim zaczniesz mierzyć liczbę klatek na sekundę (FPS), warto najpierw wyjaśnić, czym jest „ramka”.

W systemach wbudowanych termin „ramka” może oznaczać:

• pełna aktualizacja bufora ramki (często spotykana w podwójnym buforowaniu)
• częściowa aktualizacja (tylko zabrudzone obszary)
• wyświetlacz flush (przenieś na wyświetlacz)

Z tego powodu FPS może wynosić:

• Render FPS – jak często rysowany jest interfejs użytkownika
• display FPS – jak często pikseli są wysyłane do wyświetlacza

Nie zawsze to jedno i to samo.

W tym przykładzie skupimy się na liczbie klatek na sekundę (FPS) podczas renderowania.

STM32 / Bare metal (podejście ogólne)

W systemach MCU (np. STM32) liczbę klatek na sekundę (FPS) często mierzy się za pomocą timera lub licznika cykli.

Podejście:

• zwiększ licznik ramek na końcu pętli renderowania
• zmierzyć upływający czas za pomocą SysTicka lub licznika cykli DWT

A potem w zadaniu cyklicznym:

Co to mierzy:

• render FPS

Alternatywa (bardziej precyzyjna):

Użyj rejestru DWT (>) CYCCNT, żeby zmierzyć dokładny czas trwania ramki w cyklach procesora.

Bardziej precyzyjnym sposobem pomiaru liczby klatek na sekundę (FPS) na STM32 (i ogólnie na procesorach Cortex-M) jest użycie licznika cykli DWT (DWT->CYCCNT), który zlicza cykle zegara procesora zamiast opierać się na milisekundowych impulsach systemowych.

Jak to działa:
Na początku ramki zapisujesz aktualną wartość CYCCNT. Na końcu ramki odczytujesz ją ponownie i obliczasz różnicę. W ten sposób otrzymujesz dokładną liczbę cykli procesora zużytych na renderowanie pojedynczej ramki. Znając częstotliwość procesora, możesz obliczyć FPS:

FPS = częstotliwość procesora / liczba cykli na klatkę

Zalety:

• Bardzo wysoka precyzja (dokładność na poziomie cyklu)
• Idealne do analizy wydajności i optymalizacji
• Nie ma na to wpływu ani przerwania SysTick, ani wahania harmonogramu

Wady:

• Wymaga znanej i stabilnej częstotliwości taktowania procesora
• Nie jest dostępne we wszystkich rdzeniach Cortex-M (np. M0/M0+)
• Trochę bardziej skomplikowane w konfiguracji i obsłudze
• Przy dłuższych pomiarach trzeba wziąć pod uwagę przepełnienie licznika

Monitor wydajności LVGL (LV_USE_PERF_MONITOR)

LVGL oferuje wbudowaną funkcję monitorowania wydajności poprzez włączenie opcji LV_USE_PERF_MONITOR w pliku konfiguracyjnym (lv_conf.h). Po włączeniu tej opcji LVGL wyświetla na ekranie niewielką nakładkę z danymi w czasie rzeczywistym.

Zazwyczaj obejmuje to:

• FPS (ramki na sekundę)
• Wykorzystanie procesora (czas poświęcony na zadania LVGL)
• czasem dane dotyczące pamięci (w zależności od konfiguracji)

Wyświetlacz działa w ten sposób, że śledzi, jak często uruchamia się pętla renderowania oraz ile czasu zajmuje przetwarzanie zadań i rysowanie.

Co to mierzy:

• połączenie liczby render FPS i obciążenia systemu
• bardziej dotyczy „wydajności interfejsu użytkownika” niż samej liczby display FPS na wyświetlaczu

Dlaczego to się przydaje:

• konfiguracja bez żadnego wysiłku (wystarczy włączyć w pliku konfiguracyjnym)
• natychmiastowa wizualna informacja zwrotna podczas tworzenia
• świetnie nadaje się do szybkiej walidacji działania i testów regresyjnych

Ograniczenia:

• nie mierzy rzeczywistego czasu wyświetlania (od wysłania do pojawienia się na ekranie)
• W przypadku korzystania z częściowego odświeżania liczba klatek na sekundę (FPS) może nie odzwierciedlać aktualizacji na całym ekranie
• powoduje niewielki narzut (w środowisku produkcyjnym lepiej to wyłączyć)

W praktyce LV_USE_PERF_MONITOR to najszybszy sposób na zorientowanie się, jak działa system, ale do precyzyjnych pomiarów – zwłaszcza przy optymalizacji przepustowości czy sterowników wyświetlaczy – warto połączyć go z pomiarami na niższym poziomie (np. mierzeniem czasu wykonania flush callbacków).

LVGL oferuje wbudowaną funkcję monitorowania wydajności poprzez włączenie opcji LV_USE_PERF_MONITOR w pliku konfiguracyjnym (lv_conf.h). Po włączeniu tej opcji LVGL wyświetla na ekranie niewielką nakładkę z danymi w czasie rzeczywistym.

Zazwyczaj obejmuje to:

• FPS (klatki na sekundę)
• Wykorzystanie procesora (czas poświęcony na zadania LVGL)
• czasem dane dotyczące pamięci (w zależności od konfiguracji)

Wyświetlacz działa w ten sposób, że śledzi, jak często uruchamia się pętla renderowania oraz ile czasu zajmuje przetwarzanie zadań i rysowanie.

Co to mierzy:

• połączenie liczby render FPS i obciążenia systemu
• bardziej dotyczy „wydajności interfejsu użytkownika” niż samej liczby display FPS na wyświetlaczu

Dlaczego to się przydaje:

• konfiguracja bez żadnego wysiłku (wystarczy włączyć w pliku konfiguracyjnym)
• natychmiastowa wizualna informacja zwrotna podczas tworzenia
• świetnie nadaje się do szybkiej walidacji działania i testów regresyjnych

Ograniczenia:

• nie mierzy rzeczywistego czasu wyświetlania (od wysłania do pojawienia się na ekranie)
• W przypadku korzystania z częściowego odświeżania liczba klatek na sekundę (FPS) może nie odzwierciedlać zmian na całym ekranie
• powoduje niewielki narzut (w środowisku produkcyjnym najlepiej to wyłączyć)

W praktyce LV_USE_PERF_MONITOR to najszybszy sposób na zorientowanie się, jak działa system, ale do precyzyjnych pomiarów – zwłaszcza przy optymalizacji przepustowości czy sterowników wyświetlacza – warto połączyć to z pomiarami na niższym poziomie (np. mierząc flush callbacks).

MPU/Linux

W systemach Linux pomiar FPS zależy od stosu graficznego.

Prosty bufor ramki (fbdev)

Zmierz czas między zmianami bufora:

Wayland / frameworki GUI

Dostępne opcje to:

• wbudowane narzędzia (np. licznik FPS Weston)
• czas działania aplikacji
• Profiler GPU (jeśli są dostępne)

Wnioski

Pomiar liczby klatek na sekundę (FPS) w systemach wbudowanych wymaga zrozumienia, co właściwie oznacza pojęcie „klatka” w danym potoku przetwarzania. Niezależnie od tego, czy mierzysz pętle renderowania, flush callbacks, czy zamiany buforów, każda z tych metod odzwierciedla inny aspekt wydajności. Frameworki takie jak LVGL czy stosy oparte na systemie Linux oferują przydatne punkty zaczepienia, ale to programista musi wybrać odpowiedni punkt pomiaru.

W praktyce sama liczba klatek na sekundę (FPS) to za mało. Na postrzeganą wydajność często większy wpływ mają: stały czas wyświetlania ramki, opóźnienie oraz przepustowość pamięci. Stabilna i przewidywalna liczba klatek na sekundę jest zazwyczaj ważniejsza niż osiągnięcie jak najwyższej liczby klatek na sekundę.