μC／OS-II實(shí)時(shí)性能測(cè)試與研究

　　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(lái)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(lái)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(kāi)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(lái)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(guò)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寄存器和棧空間。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(yǔ)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(méi)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(kāi)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(kāi)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T(mén)test，則：

　　Ttest=(a1-a2)/f (1)

　　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(kāi)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T(mén)irt，則：

　　Tirt=(a1-a2)/f (2)

　　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(kāi)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

　?、傧到y(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.

　?、谌鐖D1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_TCS'T_Start開(kāi)始運(yùn)行，向郵箱發(fā)送一則消息，同時(shí)定時(shí)器開(kāi)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。

　?、鄹鶕?jù)式(1)計(jì)算結(jié)果。

　?、苤貜?fù)10次實(shí)驗(yàn)，取最大值為5.36μs。

　　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(guò)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