μC／OS-II定時(shí)器算法分析與測試

由測試數據可知，若有定時(shí)器到時(shí)，則經(jīng)過(guò)幾個(gè)μs的延時(shí)，定時(shí)器回調函數就可以執行。與ms級的定時(shí)最小分辨時(shí)間相比，其抖動(dòng)對到時(shí)準確性的影響是非常小的。隨著(zhù)處理器頻率的提升和處理能力的加強，這個(gè)抖動(dòng)時(shí)間還可以進(jìn)一步縮小。第2種抖動(dòng)情況如圖4所示。

當下一個(gè)時(shí)鐘節拍快到來(lái)時(shí)(如圖4中A時(shí)刻)，一個(gè)定時(shí)器被開(kāi)啟了。因為系統能分辨的最小時(shí)間即時(shí)鐘節拍的間隔時(shí)間，所以定時(shí)器開(kāi)啟時(shí)記錄的當前時(shí)鐘節拍數為1，假設定時(shí)器的定時(shí)值就是一個(gè)時(shí)鐘節拍間隔。定時(shí)器開(kāi)啟后，第2個(gè)時(shí)鐘節拍馬上就到了，由情況1的分析可知，這個(gè)定時(shí)器的回調函數很快就會(huì )被執行。B時(shí)刻表示這個(gè)定時(shí)器回調函數第一次執行。C、D時(shí)刻為回調函數的第2次與第3次執行時(shí)刻，這兩次到時(shí)是比較準確的。
因此，定時(shí)器從開(kāi)啟到回調函數開(kāi)始執行的時(shí)間與定時(shí)值相比是有較大抖動(dòng)的。若此時(shí)的時(shí)鐘節拍間隔為5 ms，則這個(gè)抖動(dòng)的誤差最大即5 ms。這種情況下的抖動(dòng)只能通過(guò)提高每秒的時(shí)鐘節拍數來(lái)減小。因此，在數據采集或其他定時(shí)器的應用中，要留意定時(shí)器開(kāi)啟后第一次到時(shí)的處理，以免進(jìn)行錯誤的判斷。

4 定時(shí)器管理任務(wù)對操作系統性能的影響
定時(shí)器管理任務(wù)的運行使應用程序可建立的任務(wù)數減1。該任務(wù)要求是系統中的最高優(yōu)先級，因此每次有時(shí)鐘中斷發(fā)生它都要運行，必然會(huì )消耗掉一定的CPU資源。軟件定時(shí)器功能所占用的CPU運行時(shí)間(設為M)的計數公式為：
M=定時(shí)器管理任務(wù)判斷定時(shí)器是否到時(shí)的時(shí)間+定時(shí)器回調函數執行時(shí)間+定時(shí)器控制塊移除
與再插入時(shí)間+切換到次低優(yōu)先級任務(wù)的時(shí)間
首先，采用μC／OS-II中自帶的統計任務(wù)測試定時(shí)器管理任務(wù)對CPU資源的占用情況。測試時(shí)系統中開(kāi)啟3個(gè)任務(wù)：定時(shí)器管理任務(wù)、統計任務(wù)和Idle任務(wù)。定時(shí)器到時(shí)回調函數在定時(shí)器管理任務(wù)中執行，增加了管理任務(wù)運行時(shí)間。為僅測試系統定時(shí)器管理功能的開(kāi)銷(xiāo)，測試時(shí)將定時(shí)回調函數置為空操作。因統計任務(wù)要求必須在初始化時(shí)建立第一個(gè)也是唯一的一個(gè)任務(wù)中調用統計任務(wù)初始化函數OSStatInit()，所以需在定時(shí)器管理任務(wù)中進(jìn)行必要改動(dòng)，以保證在統計任務(wù)初始化后才開(kāi)啟定時(shí)器的管理功能。測試用定時(shí)器在main函數中靜態(tài)創(chuàng )建。
測試后發(fā)現，當定時(shí)器數由1增加到8時(shí)，CPU的使用率一直是1％。這說(shuō)明系統開(kāi)啟定時(shí)器管理功能后，增加的負荷很小。另一方面因為統計任務(wù)計算CPU使用率時(shí)是整數相除、余數舍棄，這就使得0～(OSIidleCtrMax／100-1)的計數是不能被分辨的，因此統計任務(wù)不能準確地反應定時(shí)器管理任務(wù)對CPU的使用情況。
為了得到更準確的測量結果，采用“處理器占用率”這一指標對管理任務(wù)開(kāi)銷(xiāo)進(jìn)行測試。
處理器占用率=軟件定時(shí)器功能所占用的CPU運行時(shí)間(M)／CPU運行時(shí)間
當某一時(shí)鐘節拍到來(lái)時(shí)，假設這一時(shí)鐘節拍下無(wú)定時(shí)器到時(shí)，即“到時(shí)定時(shí)器回調函數執行時(shí)間”和“定時(shí)器控制塊移除與再插入時(shí)間”為0。若當前系統中所創(chuàng )建的定時(shí)器正好在同一個(gè)分組中，則管理任務(wù)須對每個(gè)定時(shí)器的到時(shí)值進(jìn)行比較，此時(shí)為無(wú)定時(shí)器到時(shí)時(shí)定時(shí)器管理任務(wù)對CPU的最高占用率。測試中，將定時(shí)器的到時(shí)值設定為8的倍數加1，在main()函數中靜態(tài)創(chuàng )建。使所有定時(shí)器控制塊在同一分組中，當OSTime也是8的倍數加1時(shí)，就形成了無(wú)定時(shí)器到時(shí)時(shí)定時(shí)器管理任務(wù)的最壞運行情況。
測試環(huán)境為：ARM9(400 MHz)，定時(shí)器最小分辨時(shí)間為5 ms(該值作為計算時(shí)的“CPU運行時(shí)間”)，硬件計時(shí)器的最小分辨時(shí)間為0．02μs。讀硬件計時(shí)器計算時(shí)間，測試結果如表2所列。

由測試數據可知建立定時(shí)器數為8時(shí)，處理器占用率遠小于1％。每增加一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器管理任務(wù)的運行時(shí)間約增加6．5μs，處理器的占用率約增加0．01％，任務(wù)的切換時(shí)間不變。這是在構建的極端情況下測試的，實(shí)際應用中的時(shí)間要小于這個(gè)值。
“定時(shí)器控制塊移除與再插入時(shí)間”在400 MHz下測試為0．22μs。某一時(shí)鐘節拍處理時(shí)，若有定時(shí)器到時(shí)，則最壞情況是這個(gè)到時(shí)的定時(shí)器控制塊在鏈表的最后，只有執行完整個(gè)鏈表的判斷后才開(kāi)始執行該到時(shí)定時(shí)器的回調函數。假設定時(shí)器數為8，且鏈表中最后一個(gè)定時(shí)器先到時(shí)，則該定時(shí)器到時(shí)的這個(gè)鐘節拍下處理器利用率為：(0．34μs+0．22μs+0．82μs+定時(shí)器回調函數執行時(shí)間)／5 ms=(1．38μs+定時(shí)器回調函數執行時(shí)間)／5 ms。

結 論
本文對μC／OS-II軟件定時(shí)器的算法及抖動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了分析，并在特定平臺上進(jìn)行了測試，較好地反映出了該定時(shí)器的精度和對處理器資源的占用情況。測試結果可信度高，為在μC／OS-II下的軟件定時(shí)器應用開(kāi)發(fā)提供了可靠的依據。