μCOS-II的实时性能分析.docVIP

1 嵌入式实时操作系统和μC/OS-II 　　嵌入式操作系统EOS(Embedded Operating System)主要负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度、控制、协调并发活动;它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能[1]。 　　μC/OS-II是专门为计算机的嵌入式应用而设计的实时操作系统，是基于静态优先级的占先式（preemptive）多任务实时内核。采用μC/OS -II作为测试的目标，一方面是因为它已经通过了很多严格的测试，被确认是一个安全的、高效的实时操作系统；另一个重要的原因，是因为它免费提供了内核的源代码，通过修改相关的源代码，就可以比较容易地构造自己所需要的测试环境，实现自己需要的功能。 　　2 实时操作系统和系统实时性能指标 　　实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序出现偏差将会引起严重后果。实时系统有两种类型：软实时系统和硬实时系统。软实时系统仅要求事件响应是实时的，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成；而在硬实时系统中，不仅要求任务响应要实时，而且要求在规定的时间内完成事件的处理。通常，大多数实时系统是两者的结合。 　　事实上，没有一个绝对的数字可以说明什么是硬实时，什么是软实时。它们之间的界限是十分模糊的。这与选择什么样的CPU，它的主频、内存等参数有一定的关系[1]。另外，因为应用的场合对系统实时性能要求的不同而有不同的定义。因此，在现有的固定的软、硬件平台上，如何测试并找出决定系统实时性能的关键参数，并给出优化的措施和试验数据，就成为一个具有普遍意义并且值得深入探讨的课题。本文就是基于此目的进行讨论的。 　　因为采用实时操作系统的意义就在于能够及时处理各种突发的事件，即处理各种中断，因而衡量嵌入式实时操作系统的最主要、最具有代表性的性能指标参数无疑应该是中断响应时间了。中断响应时间通常被定义为： 　　中断响应时间=中断延迟时间+保存CPU状态的时间+该内核的ISR进入函数的执行时间[2]。 　　中断延迟时间=MAX(关中断的最长时间，最长指令时间) + 开始执行ISR的第一条指令的时间[2]。 　　通俗点定义就是：从中断发生起，到执行中断处理程序的第一条指令所用的时间。由于实时操作系统更多考虑的是最坏的情况，而不是平均的情况，因此指令执行的时间就按照最长的指令执行时间来计算，所以中断延迟时间，通常是由关中断的最长时间来决定的。当FIQ（快速中断）使能时，最坏情况下FIQ的中断延迟时间由以下几个部分构成： 　　t同步——请求通过同步器的最长时间，约4个处理器周期。 　　t最长指令时间——最长指令完成的时间。最长指令是加载包括PC的所有寄存器的LDM指令，在零等待状态的系统中，约为20个周期。 　　t异常——数据异常进入时间，为3个周期。 　　tFIQ——FIQ进入时间， 2个周期。 　　最大的FIQ中断延迟时间约为29个时钟周期。在系统使用40 MHz处理器时钟时，约为0.7 μs。 　　对于最大的IRQ延迟，其计算与FIQ类似。若必须允许FIQ有更高的优先级，那么进入IRQ处理程序的延迟时间是随机的[3]。 　　3 试验原理和测试方法 　　首先需要启动并开始运行μC/OS-II，因为试验需要使用的计时函数是系统函数。进行堆栈和中断向量等系统初始化后，首先要创建一个任务，用以产生中断。这样OS启动后，中断服务程序可以在任务中调用或者切换，中断源可以设置为外部中断或由任务产生。在主程序的临界段循环查询中断状态（VICRawIntr;中断状态寄存器），一旦发现有中断标识，则立即启动计数器，并使能该中断，跳出临界段（在进入临界段之前要关中断 (OS_ENTER_CRITICAL())，而跳出临界段代码进入中断服务子程序后，保存全部CPU寄存器后清除中断源，并立即开中断 (OS_EXIT_CRITICAL())，然后停止计时并执行中断处理代码）。由于是在检测到中断标识后才跳出临界段，所以一跳出临界段就会立即发生中断，进行中断处理。保存了CPU寄存器后进入中断服务的第一条指令就是保存计数器值。由于在跳出临界段时才启动的计数器，而在进入中断服务时立即保存了计数值，所以这个计数值就是所需要的中断响应时间。 　　如果要试验不同优先级的中断响应时间，可以设几个不同优先级的中断服务程序，在高优先级程序的出口计数器清零；而在下一个中断开始时保存计数值，从而测试中断优先级对中断响应时间的影响。 　　如果要测试不同类型的中断响应时间，可以在程序中，分别使用不同类型的中断（向量中断，非向量中断，快速中断）来测试中断类型对中断响应时间的影响。原则上快速中断（FIQ）要求具有最高的优先级，而且快速中断的处理与操作系统基本无关，中断服务子程序可以自行编写（在不调用μC/OS-