μC/OS-II的实时性能分析

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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-II的系统服务程序的情况下），没有特别的要求。向量中断则不能如此。因为虽然ADS可以使用_irq关键字来声明一个函数是用来处理中断的，从而可以避免在程序中使用汇编代码，但是在μC/OS-II中不能这样处理。因为使用C语言无法确保堆栈的结构，而RTOS必须使堆栈保持一定的结构。这只有汇编语言可以做到。这部分的代码在文件VECTORS.S中（为了简化用户编写中断服务子程序，这段汇编代码已经被编写成一个宏HANDLER）[4]。具体可见参考文献 [4]的P358~P359中所列的程序清单6.5中的汇编代码，即中断服务子程序必须按照 μC/OS-II的中断服务程序的要求编写，格式如下[4]：

　　保存全部CPU寄存器;(1)

　　调用OSIntEnter或OSIntNesting直接加1；(2)

　　清除中断源(3)

　　重新开中断(4)

　　执行用户代码做中断服务;(5)

　　调用OSIntExit()；(6)

　　恢复所有CPU寄存器；（7）

　　执行中断返回指令；（8）

　　如果要测试存储器加速模块对中断响应时间的影响，可以在关闭、部分使能和完全使能3种设置下分别测试同一个中断的响应时间，从而得出中断响应时间与存储器加速模块设置之间的关系。

　　由于锁相器的设置必然会影响中断响应时间，并且中断响应时间与锁相器（PLL）的倍频设置成反比，即倍频设置越高，处理器工作速度越快，指令周期越短，而不同时钟设置下同一中断响应所需要执行的指令数是相同的，因而中断响应时间就会越短。所以本文不作此项测试。

　　下面用程序来测试运行在LPC2104上的μC/OS-II的中断响应时间。系统初始环境（默认）设置如下：系统晶振频率设为11 059.2 kHz，锁相环（PLL）倍增器值设置为4，处理器工作在fCCLK=fOSC×4=11?059 MHz×4＝44.236 MHz。存储器加速开启。中断类型为IRQ中断，优先级为0，即最高优先级。

　　μC/OS-II提供了标准的计时程序初始化以及计时开始和计时结束的函数，分别如下所示。这些函数将在所有的试验中使用。

　　void PC_ElapsedInit(void)//初始化计时程序设置

　　void PC_ElapsedStart(void)//开始计时

　　INT16U PC_ElapsedStop(void)//统计时间返回值

　　进行实验时，首先在进入main（）函数前对系统进行一些基本的初始化工作，包括初始化引脚、系统时钟、存储器加速模块、系统时钟等参数，以保证系统能够基本运行。初始化完成后，系统进入main()函数，并创建新的任务。以外部中断为例，由按键产生一个外部中断，在当前运行的任务中循环检测中断标志寄存器，检测到后就跳出循环进入中断服务子程序。统计这段时间，就可以得出中断响应时间了。

　　中断服务程序的汇编部分按照参考文献《arm微控制器基础与实践》P384~P385的程序清单6.5异常处理代码的汇编部分来编写，也就是编写宏HANDLER，并在Vectors.s文件中引用这个汇编接口：IRQ_Handler HANDLER IRQ_Exception，至此就完成了μC/OS-II中断服务子程序的汇编部分。C语言部分主要用于具体的中断处理，在完成必要的初始化后，只要在中断处理程序的第一句将计时停止并返回计数值，具体的中断处理代码则并不重要，或者说停止计时就是中断处理代码了。由于IRQ中断与系统相关，这部分代码一般在文件TARGET.C中编写实现。C语言部分示意性代码如下所示：

　　void __IRQ_Ecpe(void) {

　　INT16UElapTime；

　　OS_ENTER_CRITICAL();//关中断

　　OSIntEnter();//中断服务子程序ISR开始

　　EXTINT = 0x02;//清除中断源

　　OS_EXIT_CRITICAL();//开中断

　　ElapTime=PC_ElapsedStop();//停止计时并返回计数值

　　OSIntExit();//退出中断服务

　　VICVectAddr0＝0；//清零中断向量

　　}

　　void Task (void) {

　　PINSEL0 = 0x20000000;//设置I/O口工作模式，P0.14

　　//设置为EINT1

　　IODIR = 0x00000400;//设置LED1控制口为输出，其

　　//他I/O为输入

　　VICIntSelect = 0x00000000;//设置所有通道为IRQ中断

　　VICVectCntl0 = 0x2E;//EI NT1通道分配到IRQ slot 0，

　　//即优先级最高

　　VICVectAddr0 = (int)IRQ_Ecpe;//设置EINT0向量地址

　　VICIntEnable = 0x00008000;//使能EINT0

　　EXTINT = 0x02;//清除外部中断标志

　　OS_ENTER_CRITICAL();//进入临界区，关中断

　　While(1)//循环检测

　　{if （(EXTINT & 0x01!)=0)

　　PC_ElapsedStart(); //如果有中断发生，计时开始

　　break ;}}// 跳出循环；

　　OS_EXIT_CRITICAL(); //退出临界区，开中断

　　return(0);

　　}

　　int main (void) {

　　PC_DispClrScr(DISP_FGND_WHITE + DISP_BGND_BLACK);

　　OSInit();

　　PC_DOSSaveReturn();

　　PC_ElapsedInit()

　　RandomSem=OSSemCreate(1);

　　OSTaskCreate(TaskStart, (void *)0, &TaskStartStk[TASK_STK_SIZE - 1], 0);

　　OSStart();

　　}

　　测试不同优先级的中断响应时间的情况稍有些不同。因为要在低优先级任务的中断出口激活高优先级的中断任务，对计数器清零并开始计数，在高优先级的中断处理代码的第一条语句结束计时。其余的部分基本一样。限于篇幅，具体的源代码就不一一列举了。

　　4 结论

　　

　　经过试验，得到表1所列测试数据。所有数据按照默认的条件，每次只更改其中一个条件测试得出。

　　注：中断优先级测试时，中断响应时间大于正常值，是因为发生高优先级中断时，需要等待低优先级中断任务开中断才能进行响应。

　　由以上数据可知，μC/OS-II的中断响应时间受内存加速模块和系统频率设置的影响较大，而与中断的类型和任务（中断）优先级关系不大。以上仅仅是个简单的测试，更深入的测试可以基于这个方法继续探讨。