オシロ不要！ARM-Cortex M DWT CYCCNTで始める高精度時間測定 ─ 最小ステップで使える実践ガイド

DWT CYCCNTとは？Cortex-Mで使える高精度ハードウェアカウンター

組込み開発では、処理時間のµs単位測定がリアルタイム制御の安定性に直結します。リアルタイム制御では、わずか数十µsの遅延でも性能劣化につながるためです。従来はGPIO出力＋オシロスコープで計測する方法が一般的でした。ただし、配線やGPIO確保、回路図確認が必要で手間がかかります。
そこで有効なのが、Cortex‑M3/M4/M7/M23/M33に標準搭載されているDWT（Data Watchpoint and Trace）内のCYCCNT（Cycle Counter）です。CYCCNTはCPUクロック単位で増加する32bitカウンターで、SWから直接アクセス可能です。

DWT CYCCNT動作イメージ

CYCCNTの最大の利点は、計測オーバーヘッドがほぼゼロである点です。GPIOトグルのようなI/O遅延がなく、1クロックごとに自動カウント。数十クロックの短い処理も正確に測定できます。

• Cortex-M0/M0+では非搭載。必ず製品マニュアルでDWT搭載状況をご確認ください。

なぜオシロ不要？DWT CYCCNTが圧倒的に便利な理由

DWTを使えば、CPU内部のハードウェアカウンターを直接読み取るだけで時間測定が完結します。外部配線・オシロスコープ・ロジアナは不要。ソフトウェアのみで高精度測定が可能です。
「時間測定なら内蔵タイマーやSysTickで良いのでは？」と思われるかもしれません。しかし実務では、以下の制約で使いにくい場合があります：

• 内蔵タイマーは製品ごとに制御方法が異なり移植性が低い
• SysTickはRTOS（例：FreeRTOS）で専有される場合が多い
• タイマー設定の変更がシステム安定性に影響するリスクもある

一方、DWT CYCCNTは：

• 外部機材不要（ソフトウェアのみ）
• CPUクロック単位の高精度
• Cortex-M共通アドレスで移植性が非常に高い

初心者でも扱いやすく、外部ツールが不要で、しかも正確。時間測定の第一歩として最適な手法です。

DWT CYCCNTを有効化する最小ステップ

DWTのレジスタはCortex‑M共通のPPB（Private Peripheral Bus）領域にあります。PPBはデバッグ用の固定アドレス領域で、製品が異なっても同じアドレスでアクセスできるため、コード移植が容易です。必要なレジスタアドレスを直接定義すれば利用できます。
本稿ではレジスタの直書きでDWT CYCCNTを使用する方法を説明します。コピー＆ペーストで簡単に実装できることをメリットとし、基本的なアドレス操作による実装方法を説明します。なお、CMSIS※ヘッダーが提供されている環境では、定義済みレジスタ情報も仕様可能です。

• CMSIS（Cortex Microcontroller Software Interface Standard）：ARMが定義したCortex-Mマイコンの標準的なソフトウェアインターフェイス。

DWT CYCCNTを有効化するには、次の手順を実行します。

1.DEMCR.TRCENA（bit24）を1にしてDWT/ITMを有効化

2.（Cortex-M7のみ）DWT_LARにアンロックキーを書き込む

3.DWT_CYCCNTを0にクリアする

4.DWT_CTRL.CYCCNTENA（bit0を1にしてカウント開始

たったこれだけでCYCCNTが動作を開始します。

固定アドレスなので、CMSISが無くても直接アクセス可能です。

“差分だけ”で測る超シンプル計測ブロック（コピペOK）

以下は最小構成の計測テンプレートです。
初期化と計測開始・終了のみを記載し、理解しやすい最小構成にしました。
コード内で計測開始・終了部分をコメントで明示しました。

// レジスタ定義
  #define DEMCR        (*(volatile unsigned long*)0xE000EDFCUL)
  #define DWT_CTRL     (*(volatile unsigned long*)0xE0001000UL)
  #define DWT_CYCCNT   (*(volatile unsigned long*)0xE0001004UL)
  #define DWT_LAR      (*(volatile unsigned long*)0xE0001FB0UL)
  
  #define DEMCR_TRCENA    (1UL << 24)
  #define DWT_CYCCNTENA   (1UL << 0)
  
  int main(void) {
    volatile unsigned int sum = 0;
    int i=0;
  
    unsigned long start = 0;
    unsigned long cycles = 0;
    double time_us = 0;
  
    //　DWTの有効化（起動後に1回だけ必要）
    DEMCR |= DEMCR_TRCENA;          // DWT使用許可
    //DWT_LAR = 0xC5ACCE55UL;         // ロック解除（ARM Cortex-M7使用時のみ実行）
    DWT_CYCCNT = 0UL;               // カウンター初期化
    DWT_CTRL |= DWT_CYCCNTENA;      // カウント開始
  
    // 計測
    start = DWT_CYCCNT;  // 計測開始 --->
  
  　　　　　　// 時間計測する処理（今回は例として、ループする処理）
    for (i = 0; i < 1000; i++) {
        sum += i;
    }
  
    cycles = DWT_CYCCNT - start; // <--- 計測終了
  
    time_us = (double)cycles * 1000000 / 48000000.0; // CPU周波数に応じて変更してください（例 48MHz)
  
    // printfを利用できる環境の場合は下記をコメントアウトしてください。
    //printf("cycles=%lu, time=%.3f us\n", cycles, time_us);
  
    while(1){}
  
      return 0;
  }

実行例（Cortex-M4F 48MHz）

cycles=17017, time=354.521 us

差分計測方式のメリット

• 関数呼び出しのオーバーヘッドを含まない
• テンプレートとしてコピー＆ペーストしやすい
• 計測したい処理をその場に書けばよい

初心者が最初に覚えておくと便利で、簡単な方法です。

精度を上げるための実践ポイント

差分計測でも精度を高めるためには、以下のポイントを押さえましょう。

トラブルと対処法

まとめ：外部機材ゼロで“正確に測る”最速の方法

DWT CYCCNTによる時間測定は、“GPIO＋オシロスコープ“不要、外部機材なしで高精度な処理時間測定が可能です。
CPUクロック単位でカウントするため、1クロック精度を実現。しかも、初期化は数行、計測ブロックは1つだけで、既存コードに簡単に組み込めます。

ポイントを整理すると：

• 外部機材不要でセットアップが簡単
• CPU1クロック単位の高精度測定
• 簡単なコード追加で、DWT CYCCNTによる計測可能

DWT CYCCNTを使って、まずは処理時間を手軽に測定してみましょう。

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