μC/OS-II實(shí)時(shí)性能測(cè)試與分析

任務(wù)切換時(shí)間和中斷響應(yīng)時(shí)間是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的重要指標(biāo)。本文對(duì)μC/OS-II的上述指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，并給出了測(cè)試方法；分析了不同的情況對(duì)μC/OS-II實(shí)時(shí)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)時(shí)性能與CPU運(yùn)行頻率成正比，而CPU利用率對(duì)實(shí)時(shí)性能影響較小。

關(guān)鍵詞 實(shí)時(shí)性能 μC/OS-II 任務(wù)切換時(shí)間 中斷響應(yīng)時(shí)間

　　實(shí)時(shí)性是指系統(tǒng)能夠在限定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)并對(duì)外部的異步事件作出及時(shí)響應(yīng)。在大多數(shù)工業(yè)控制中，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求非常高。

　　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是能夠滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)任務(wù)的處理響應(yīng)時(shí)間要求的操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動(dòng)（event?driven）的，能對(duì)來自外界的作用和信號(hào)在限定的時(shí)間范圍內(nèi)作出響應(yīng)。它強(qiáng)調(diào)的是實(shí)時(shí)性、可靠性和靈活性，與實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件相結(jié)合成為有機(jī)的整體，起著核心作用；由它來管理和協(xié)調(diào)各項(xiàng)工作，為應(yīng)用軟件提供良好的運(yùn)行軟件環(huán)境及開發(fā)環(huán)境。在多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，必然由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)進(jìn)行管理。

　　μC/OS-II是一種結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能。

　　現(xiàn)在許多工業(yè)控制系統(tǒng)用到了μC/OS-II，為了對(duì)其實(shí)時(shí)性有更深入具體的了解，本文對(duì)μC/OS-II的實(shí)時(shí)性進(jìn)行了測(cè)試和分析，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有現(xiàn)實(shí)意義。

1? μC/OS-II實(shí)時(shí)性能測(cè)試指標(biāo)

　　衡量嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的好壞一般主要參考以下主要性能指標(biāo)參數(shù)： 任務(wù)切換時(shí)間、中斷響應(yīng)時(shí)間、任務(wù)響應(yīng)時(shí)間、任務(wù)創(chuàng)建/刪除時(shí)間、交替信號(hào)量時(shí)間、取得/釋放信號(hào)量時(shí)間、交替消息隊(duì)列傳輸時(shí)間等。本文僅對(duì)前2個(gè)最重要的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試分析。

1.1? 任務(wù)切換時(shí)間

　　任務(wù)切換時(shí)間（Task Content Switch Time）可以反映出RTOS執(zhí)行任務(wù)的速度。

　　μC/OS-II使用的是占先式內(nèi)核，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。每個(gè)任務(wù)都被賦予一定的優(yōu)先級(jí)，最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦就緒，就能得到CPU的控制權(quán)。當(dāng)一個(gè)運(yùn)行著的任務(wù)通過信號(hào)量等機(jī)制使一個(gè)更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，μC/OS-II會(huì)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。這時(shí)當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)就要被剝奪，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)會(huì)立刻得到CPU的控制權(quán)。

　　每個(gè)任務(wù)都有自己的一套CPU寄存器和?？臻g。任務(wù)的切換實(shí)際上就是CPU寄存器內(nèi)容的切換。CPU內(nèi)部寄存器越多，額外負(fù)荷就越重。

　　在任務(wù)切換之前還需要在就緒表中查找出優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，它由任務(wù)調(diào)度函數(shù)OSSched()完成，是比較花費(fèi)時(shí)間的。因?yàn)檫@個(gè)函數(shù)有固定長(zhǎng)度的語句，所以它的執(zhí)行時(shí)間是常數(shù)，與應(yīng)用程序建立了多少個(gè)任務(wù)沒有關(guān)系。

　　所以任務(wù)切換時(shí)間取決于CPU有多少寄存器要出入棧，以及相關(guān)調(diào)度函數(shù)的執(zhí)行速度。

1.2? 中斷響應(yīng)時(shí)間

　　中斷響應(yīng)時(shí)間（Interrupt Response Time）可以反映出RTOS對(duì)外界變化的反應(yīng)速度，是指從中斷發(fā)生起到執(zhí)行中斷處理程序的第一條指令所用的時(shí)間。它是衡量嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的最主要、最具有代表性的性能指標(biāo)。

　　中斷響應(yīng)時(shí)間=中斷延遲時(shí)間+保存CPU狀態(tài)的時(shí)間+該內(nèi)核的ISR進(jìn)入函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間

　　中斷延遲時(shí)間=關(guān)中斷的最長(zhǎng)時(shí)間+開始執(zhí)行中斷服務(wù)子程序(ISR)的第1條指令的時(shí)間

　　關(guān)中斷的最長(zhǎng)時(shí)間取決于運(yùn)行時(shí)不同的情況，其他參數(shù)在其系統(tǒng)中都有固定長(zhǎng)度代碼。中斷響應(yīng)是系統(tǒng)在最壞情況下響應(yīng)中斷的時(shí)間。

2? μC/OS-II實(shí)時(shí)性能測(cè)試原理

2.1? 任務(wù)切換時(shí)間測(cè)試原理

　　任務(wù)切換時(shí)間測(cè)試是利用系統(tǒng)內(nèi)部的定時(shí)器計(jì)算任務(wù)切換時(shí)間。給定時(shí)器一個(gè)初始值a1，并建立兩個(gè)任務(wù)；在任務(wù)1中開啟定時(shí)器，利用消息郵箱切換到任務(wù)2，停止計(jì)時(shí)，記錄定時(shí)器的值為a2。設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)頻率為f，任務(wù)切換時(shí)間為Ttcst，則：

2.2? 中斷響應(yīng)時(shí)間測(cè)試原理

　　中斷響應(yīng)時(shí)間測(cè)試同樣也是利用定時(shí)器計(jì)算中斷響應(yīng)時(shí)間。給定時(shí)器一個(gè)初始值a1，建立一個(gè)任務(wù)和定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)，在任務(wù)中開啟定時(shí)器;當(dāng)定時(shí)器自減為0時(shí)，進(jìn)入中斷服務(wù)子函數(shù)，在該子函數(shù)中關(guān)閉定時(shí)器，記錄定時(shí)器的值為a2。注意： 定時(shí)器歸0后自動(dòng)變?yōu)槌跏贾礱1。設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)頻率為f，中斷響應(yīng)時(shí)間為Tirt，則：

3? μC/OS-II實(shí)時(shí)性能測(cè)試步驟及結(jié)果

　　本文測(cè)試使用的硬件平臺(tái)為2410開發(fā)板，其中處理器采用Samsung公司的S3C2410X。S3C2410X是一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式處理器，系統(tǒng)主頻是202.8 MHz。

3.1? 任務(wù)切換時(shí)間測(cè)試步驟及結(jié)果

　?、??系統(tǒng)時(shí)鐘初始化。這里只用到定時(shí)器0。PCLK = FCLK /4 = 202.8 MHz /4 = 50.7 MHz，預(yù)分頻值設(shè)置為0，除法器設(shè)為1/4，所以最小分頻為0.08 μs，f = 12.5 MHz。計(jì)時(shí)器0初始值TCNTB0設(shè)為60 000，即a1=60 000。

圖1? 任務(wù)切換時(shí)間測(cè)試

　　② ?如圖1所示，建立兩個(gè)任務(wù)：? Task_TCST_Start()和Task_TCST_End()。Task_TCST_End優(yōu)先級(jí)高，運(yùn)行后因等待郵箱的消息而掛起等待；然后Task_TCST_Start開始運(yùn)行，向郵箱發(fā)送一則消息，同時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)；之后該任務(wù)延時(shí)一段時(shí)間，進(jìn)入掛起狀態(tài)。Task_TCST_End收到郵箱消息，由等待狀態(tài)進(jìn)入就緒態(tài)，因?yàn)閾碛芯途w態(tài)隊(duì)列中的最高優(yōu)先級(jí)，所以獲得CPU使用權(quán)。它進(jìn)入運(yùn)行態(tài)后立即停止計(jì)時(shí)，記為a2。
　?、? 根據(jù)式(1)計(jì)算結(jié)果。
　　④? 重復(fù)10次實(shí)驗(yàn)，取最大值為5.36 μs。

　　需要注意2點(diǎn)： 其一，有意義的任務(wù)切換時(shí)間和中斷響應(yīng)時(shí)間是系統(tǒng)在最壞情況下發(fā)生的，所以不能取平均值，應(yīng)該取最大值。其二，因?yàn)槎〞r(shí)器是循環(huán)計(jì)數(shù)的，即從初始值自減到0，然后恢復(fù)初始值，繼續(xù)自減。所以停止計(jì)時(shí)時(shí)，定時(shí)器可能經(jīng)過了兩次或多次循環(huán)。設(shè)計(jì)程序時(shí)要注意這一點(diǎn)。在本次實(shí)驗(yàn)中，循環(huán)最大間隔為60 000×0.08 μs = 4 800 μs，遠(yuǎn)大于一次任務(wù)切換時(shí)間或中斷響應(yīng)時(shí)間，所以定時(shí)器沒有經(jīng)過多次循環(huán)。

3.2? 中斷響應(yīng)時(shí)間測(cè)試步驟及結(jié)果

　　①? 同任務(wù)切換時(shí)間測(cè)試。

圖2? 中斷響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

　?、? 如圖2所示，建立一個(gè)任務(wù)Task_IRT_Test和定時(shí)器0對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)子程序Timer0_IRT_Test。在任務(wù)中開啟定時(shí)器0，當(dāng)定時(shí)器0自減到0時(shí)，CPU響應(yīng)該中斷，CPU的中斷向量跳轉(zhuǎn)到定時(shí)器0的中斷服務(wù)子程序Timer0_IRT_Test，由它保存CPU的全部寄存器；然后通知內(nèi)核進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，同時(shí)將堆棧指針保存到當(dāng)前任務(wù)控制塊OS_TCB中，之后用戶的中斷服務(wù)代碼開始執(zhí)行，在此停止定時(shí)器0，讀出它的數(shù)值a2。
　?、? 根據(jù)式(2)計(jì)算結(jié)果。
　?、? 重復(fù)10次實(shí)驗(yàn)，取最大值0.24 μs。

4? CPU運(yùn)行頻率對(duì)μC/OS-II實(shí)時(shí)性的影響

　　將CPU運(yùn)行頻率分別降低到152.00 MHz、101.25 MHz、67.50 MHz和33.75 MHz。

　　測(cè)試方法不變，其測(cè)試結(jié)果分別如圖3和圖4所示。其中，任務(wù)切換時(shí)間的最大值分別為7.14 μs、10.74 μs、16.35 μs、32.71 μs；中斷響應(yīng)時(shí)間的最大值分別為0.32 μs、0.47 μs、0.95 μs、1.90 μs。

圖3? CPU運(yùn)行頻率對(duì)任務(wù)切換時(shí)間的影響

圖4? CPU運(yùn)行頻率對(duì)中斷響應(yīng)時(shí)間的影響

　　測(cè)試結(jié)果分析： 總體上，隨著CPU運(yùn)行頻率的增加，任務(wù)切換時(shí)間和中斷響應(yīng)時(shí)間都會(huì)減小，且呈非線性變化。特別是CPU運(yùn)行頻率較低時(shí)，其變化對(duì)實(shí)時(shí)性能影響較大；當(dāng)CPU運(yùn)行在較高的頻率時(shí)，其變化幅度相對(duì)要小些。其非線性變化是與最小分頻時(shí)間相關(guān)的。

　　這說明CPU運(yùn)行頻率對(duì)實(shí)時(shí)性能起著非常重要的作用。因?yàn)樗苯記Q定指令的處理周期，頻率增加時(shí)，指令周期減小，系統(tǒng)用于同步等待的時(shí)間縮短，CPU執(zhí)行每條語句的速度加快，保存和恢復(fù)CPU寄存器內(nèi)容的速度也相應(yīng)加快，因此實(shí)時(shí)性能變得更好。

5? CPU利用率對(duì)μC/OS-II實(shí)時(shí)性能的影響

　　之前的測(cè)試都是在CPU負(fù)荷較小的情況下進(jìn)行的，當(dāng)CPU負(fù)荷增大（即利用率升高）時(shí)，實(shí)時(shí)性又會(huì)如何變化呢？這里建立了N個(gè)相同的任務(wù)，同時(shí)進(jìn)行大批量的浮點(diǎn)運(yùn)算。再建立一個(gè)任務(wù)，利用μC/OS-II自帶函數(shù)OSStat()計(jì)算CPU利用率。對(duì)應(yīng)不同的N值，有不同的CPU利用率，分別測(cè)試其實(shí)時(shí)性，得到的結(jié)果如圖5所示。測(cè)試結(jié)果表明： 當(dāng)CPU負(fù)荷增大時(shí)，任務(wù)切換時(shí)間會(huì)增加，中斷響應(yīng)時(shí)間也會(huì)略有增加。CPU利用率對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能有一定的影響，但不是很大。

圖5? CPU利用率對(duì)任務(wù)切換時(shí)間和中斷響應(yīng)時(shí)間的影響

6? 結(jié)論

　　本文在特定的硬件平臺(tái)上測(cè)得μC/OS-II在不同情況下的任務(wù)切換時(shí)間和中斷響應(yīng)時(shí)間，能較好地反映出它的實(shí)時(shí)性能。測(cè)試方法在沒有精密儀器的條件下即可完成，具有簡(jiǎn)單易行、硬件依賴性低、可信度高的特點(diǎn)，為開發(fā)人員將μC/OS-II用于嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用提供了依據(jù)。