μC/OS-II實(shí)時(shí)性能測試與研究

1 μC/OS-II實(shí)時(shí)性能測試指標
　　
衡量嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的好壞一般主要參考以下主要性能指標參數： 任務(wù)切換時(shí)間、中斷響應時(shí)間、任務(wù)響應時(shí)間、任務(wù)創(chuàng )建/刪除時(shí)間、交替信號量時(shí)間、取得/釋放信號量時(shí)間、交替消息隊列傳輸時(shí)間等。本文僅對前2個(gè)最重要的指標參數進(jìn)行測試分析。

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執行任務(wù)的速度。
　　
μC/OS-II使用的是占先式內核，以保證系統的響應時(shí)間。每個(gè)任務(wù)都被賦予一定的優(yōu)先級，最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦就緒，就能得到CPU的控制權。當一個(gè)運行著(zhù)的任務(wù)通過(guò)信號量等機制使一個(gè)更高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，μC/OS-II會(huì )進(jìn)行任務(wù)調度。這時(shí)當前任務(wù)的CPU使用權就要被剝奪，那個(gè)高優(yōu)先級的任務(wù)會(huì )立刻得到CPU的控制權。
　　
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寄存器內容的切換。CPU內部寄存器越多，額外負荷就越重。
　　
在任務(wù)切換之前還需要在就緒表中查找出優(yōu)先級最高的任務(wù)，它由任務(wù)調度函數OSSched()完成，是比較花費時(shí)間的。因為這個(gè)函數有固定長(cháng)度的語(yǔ)句，所以它的執行時(shí)間是常數，與應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)調度函數的執行速度。

1.2 中斷響應時(shí)間
　　
中斷響應時(shí)間（Interrupt Response Time）可以反映出RTOS對外界變化的反應速度，是指從中斷發(fā)生起到執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)操作系統實(shí)時(shí)性能的最主要、最具有代表性的性能指標。
　　
中斷響應時(shí)間=中斷延遲時(shí)間+保存CPU狀態(tài)的時(shí)間+該內核的ISR進(jìn)入函數的執行時(shí)間
　　
中斷延遲時(shí)間=關(guān)中斷的最長(cháng)時(shí)間+開(kāi)始執行中斷服務(wù)子程序(ISR)的第1條指令的時(shí)間
　　
關(guān)中斷的最長(cháng)時(shí)間取決于運行時(shí)不同的情況，其他參數在其系統中都有固定長(cháng)度代碼。中斷響應是系統在最壞情況下響應中斷的時(shí)間。

2 μC/OS-II實(shí)時(shí)性能測試原理

2.1 任務(wù)切換時(shí)間測試原理
　　
任務(wù)切換時(shí)間測試是利用系統內部的定時(shí)器計算任務(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，停止計時(shí)，記錄定時(shí)器的值為a2。設系統時(shí)鐘的計數頻率為f，任務(wù)切換時(shí)間為T(mén)tcST，則：

2.2 中斷響應時(shí)間測試原理
　　
中斷響應時(shí)間測試同樣也是利用定時(shí)器計算中斷響應時(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，在任務(wù)中開(kāi)啟定時(shí)器;當定時(shí)器自減為0時(shí)，進(jìn)入中斷服務(wù)子函數，在該子函數中關(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。設系統時(shí)鐘的計數頻率為f，中斷響應時(shí)間為T(mén)IRt，則：

3 μC/OS-II實(shí)時(shí)性能測試步驟及結果
　　
本文測試使用的硬件平臺為2410開(kāi)發(fā)板，其中處理器采用Samsung公司的S3C2410X。S3C2410X是一款基于A(yíng)RM920T內核的16/32位RISC嵌入式處理器，系統主頻是202.8 MHz。

3.1 任務(wù)切換時(shí)間測試步驟及結果
　　
① 系統時(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，預分頻值設置為0，除法器設為1/4，所以最小分頻為0.08 μs，f = 12.5 MHz。計時(shí)器0初始值TCNTB0設為60 000，即a1=60 000。

圖1 任務(wù)切換時(shí)間測試

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)先級高，運行后因等待郵箱的消息而掛起等待；然后Task_TCST_Start開(kāi)始運行，向郵箱發(fā)送一則消息，同時(shí)定時(shí)器開(kāi)始計時(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)，因為擁有就緒態(tài)隊列中的最高優(yōu)先級，所以獲得CPU使用權。它進(jìn)入運行態(tài)后立即停止計時(shí)，記為a2。
　　
③ 根據式(1)計算結果。
　　
④ 重復10次實(shí)驗，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)間和中斷響應時(shí)間是系統在最壞情況下發(fā)生的，所以不能取平均值，應該取最大值。其二，因為定時(shí)器是循環(huán)計數的，即從初始值自減到0，然后恢復初始值，繼續自減。所以停止計時(shí)時(shí)，定時(shí)器可能經(jīng)過(guò)了兩次或多次循環(huán)。設計程序時(shí)要注意這一點(diǎn)。在本次實(shí)驗中，循環(huán)最大間隔為60 000×0.08 μs = 4 800 μs，遠大于一次任務(wù)切換時(shí)間或中斷響應時(shí)間，所以定時(shí)器沒(méi)有經(jīng)過(guò)多次循環(huán)。