μC/OS-II的實(shí)時(shí)性能分析

引 言

　　1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統和μC/OS-II

　　嵌入式操作系統EOS(Embedded Operating System)主要負責嵌入式系統的全部軟、硬件資源的分配、調度、控制、協(xié)調并發(fā)活動(dòng);它必須體現其所在系統的特征，能夠通過(guò)裝卸某些模塊來(lái)達到系統所要求的功能[1]。

　　μC/OS-II是專(zhuān)門(mén)為計算機的嵌入式應用而設計的實(shí)時(shí)操作系統，是基于靜態(tài)優(yōu)先級的占先式（preemptive）多任務(wù)實(shí)時(shí)內核。采用μC/OS -II作為測試的目標，一方面是因為它已經(jīng)通過(guò)了很多嚴格的測試，被確認是一個(gè)安全的、高效的實(shí)時(shí)操作系統；另一個(gè)重要的原因，是因為它免費提供了內核的源代碼，通過(guò)修改相關(guān)的源代碼，就可以比較容易地構造自己所需要的測試環(huán)境，實(shí)現自己需要的功能。

　　2 實(shí)時(shí)操作系統和系統實(shí)時(shí)性能指標

　　實(shí)時(shí)系統對邏輯和時(shí)序的要求非常嚴格，如果邏輯和時(shí)序出現偏差將會(huì )引起嚴重后果。實(shí)時(shí)系統有兩種類(lèi)型：軟實(shí)時(shí)系統和硬實(shí)時(shí)系統。軟實(shí)時(shí)系統僅要求事件響應是實(shí)時(shí)的，并不要求限定某一任務(wù)必須在多長(cháng)時(shí)間內完成；而在硬實(shí)時(shí)系統中，不僅要求任務(wù)響應要實(shí)時(shí)，而且要求在規定的時(shí)間內完成事件的處理。通常，大多數實(shí)時(shí)系統是兩者的結合。

　　事實(shí)上，沒(méi)有一個(gè)絕對的數字可以說(shuō)明什么是硬實(shí)時(shí)，什么是軟實(shí)時(shí)。它們之間的界限是十分模糊的。這與選擇什么樣的CPU，它的主頻、內存等參數有一定的關(guān)系[1]。另外，因為應用的場(chǎng)合對系統實(shí)時(shí)性能要求的不同而有不同的定義。因此，在現有的固定的軟、硬件平臺上，如何測試并找出決定系統實(shí)時(shí)性能的關(guān)鍵參數，并給出優(yōu)化的措施和試驗數據，就成為一個(gè)具有普遍意義并且值得深入探討的課題。本文就是基于此目的進(jìn)行討論的。

　　因為采用實(shí)時(shí)操作系統的意義就在于能夠及時(shí)處理各種突發(fā)的事件，即處理各種中斷，因而衡量嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的最主要、最具有代表性的性能指標參數無(wú)疑應該是中斷響應時(shí)間了。中斷響應時(shí)間通常被定義為：

　　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[2]。

　　中斷延遲時(shí)間=MAX(關(guān)中斷的最長(cháng)時(shí)間，最長(cháng)指令時(shí)間) + 開(kāi)始執行ISR的第一條指令的時(shí)間[2]。

　　通俗點(diǎn)定義就是：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。由于實(shí)時(shí)操作系統更多考慮的是最壞的情況，而不是平均的情況，因此指令執行的時(shí)間就按照最長(cháng)的指令執行時(shí)間來(lái)計算，所以中斷延遲時(shí)間，通常是由關(guān)中斷的最長(cháng)時(shí)間來(lái)決定的。當FIQ（快速中斷）使能時(shí)，最壞情況下FIQ的中斷延遲時(shí)間由以下幾個(gè)部分構成：

　　t同步——請求通過(guò)同步器的最長(cháng)時(shí)間，約4個(gè)處理器周期。

　　t最長(cháng)指令時(shí)間——最長(cháng)指令完成的時(shí)間。最長(cháng)指令是加載包括PC的所有寄存器的LDM指令，在零等待狀態(tài)的系統中，約為20個(gè)周期。

　　t異?！獢祿惓＿M(jìn)入時(shí)間，為3個(gè)周期。

　　tFIQ——FIQ進(jìn)入時(shí)間， 2個(gè)周期。

　　最大的FIQ中斷延遲時(shí)間約為29個(gè)時(shí)鐘周期。在系統使用40 MHz處理器時(shí)鐘時(shí)，約為0.7 μs。

　　對于最大的IRQ延遲，其計算與FIQ類(lèi)似。若必須允許FIQ有更高的優(yōu)先級，那么進(jìn)入IRQ處理程序的延遲時(shí)間是隨機的[3]。

　　3 試驗原理和測試方法

　　首先需要啟動(dòng)并開(kāi)始運行μC/OS-II，因為試驗需要使用的計時(shí)函數是系統函數。進(jìn)行堆棧和中斷向量等系統初始化后，首先要創(chuàng )建一個(gè)任務(wù)，用以產(chǎn)生中斷。這樣OS啟動(dòng)后，中斷服務(wù)程序可以在任務(wù)中調用或者切換，中斷源可以設置為外部中斷或由任務(wù)產(chǎn)生。在主程序的臨界段循環(huán)查詢(xún)中斷狀態(tài)（VICRawIntr;中斷狀態(tài)寄存器），一旦發(fā)現有中斷標識，則立即啟動(dòng)計數器，并使能該中斷，跳出臨界段（在進(jìn)入臨界段之前要關(guān)中斷 (OS_ENTER_CRITICAL())，而跳出臨界段代碼進(jìn)入中斷服務(wù)子程序后，保存全部CPU寄存器后清除中斷源，并立即開(kāi)中斷 (OS_EXIT_CRITICAL())，然后停止計時(shí)并執行中斷處理代碼）。由于是在檢測到中斷標識后才跳出臨界段，所以一跳出臨界段就會(huì )立即發(fā)生中斷，進(jìn)行中斷處理。保存了CPU寄存器后進(jìn)入中斷服務(wù)的第一條指令就是保存計數器值。由于在跳出臨界段時(shí)才啟動(dòng)的計數器，而在進(jìn)入中斷服務(wù)時(shí)立即保存了計數值，所以這個(gè)計數值就是所需要的中斷響應時(shí)間。

　　如果要試驗不同優(yōu)先級的中斷響應時(shí)間，可以設幾個(gè)不同優(yōu)先級的中斷服務(wù)程序，在高優(yōu)先級程序的出口計數器清零；而在下一個(gè)中斷開(kāi)始時(shí)保存計數值，從而測試中斷優(yōu)先級對中斷響應時(shí)間的影響。

　　如果要測試不同類(lèi)型的中斷響應時(shí)間，可以在程序中，分別使用不同類(lèi)型的中斷（向量中斷，非向量中斷，快速中斷）來(lái)測試中斷類(lèi)型對中斷響應時(shí)間的影響。原則上快速中斷（FIQ）要求具有最高的優(yōu)先級，而且快速中斷的處理與操作系統基本無(wú)關(guān)，中斷服務(wù)子程序可以自行編寫(xiě)（在不調用μC/OS-II的系統服務(wù)程序的情況下），沒(méi)有特別的要求。向量中斷則不能如此。因為雖然ADS可以使用_irq關(guān)鍵字來(lái)聲明一個(gè)函數是用來(lái)處理中斷的，從而可以避免在程序中使用匯編代碼，但是在μC/OS-II中不能這樣處理。因為使用C語(yǔ)言無(wú)法確保堆棧的結構，而RTOS必須使堆棧保持一定的結構。這只有匯編語(yǔ)言可以做到。這部分的代碼在文件VECTORS.S中（為了簡(jiǎn)化用戶(hù)編寫(xiě)中斷服務(wù)子程序，這段匯編代碼已經(jīng)被編寫(xiě)成一個(gè)宏HANDLER）[4]。具體可見(jiàn)參考文獻 [4]的P358~P359中所列的程序清單6.5中的匯編代碼，即中斷服務(wù)子程序必須按照 μC/OS-II的中斷服務(wù)程序的要求編寫(xiě)，格式如下[4]：

保存全部CPU寄存器;(1)
調用OSIntEnter或OSIntNesting直接加1；(2)
清除中斷源(3)
重新開(kāi)中斷(4)
執行用戶(hù)代碼做中斷服務(wù);(5)
調用OSIntExit()；(6)
恢復所有CPU寄存器；（7）
執行中斷返回指令；（8）

　　如果要測試存儲器加速模塊對中斷響應時(shí)間的影響，可以在關(guān)閉、部分使能和完全使能3種設置下分別測試同一個(gè)中斷的響應時(shí)間，從而得出中斷響應時(shí)間與存儲器加速模塊設置之間的關(guān)系。

　　由于鎖相器的設置必然會(huì )影響中斷響應時(shí)間，并且中斷響應時(shí)間與鎖相器（PLL）的倍頻設置成反比，即倍頻設置越高，處理器工作速度越快，指令周期越短，而不同時(shí)鐘設置下同一中斷響應所需要執行的指令數是相同的，因而中斷響應時(shí)間就會(huì )越短。所以本文不作此項測試。

　　下面用程序來(lái)測試運行在LPC2104上的μC/OS-II的中斷響應時(shí)間。系統初始環(huán)境（默認）設置如下：系統晶振頻率設為11 059.2 kHz，鎖相環(huán)（PLL）倍增器值設置為4，處理器工作在fCCLK=fOSC