μC／OS-II定時器算法分析與測試

由測試數(shù)據(jù)可知，若有定時器到時，則經(jīng)過幾個μs的延時，定時器回調(diào)函數(shù)就可以執(zhí)行。與ms級的定時最小分辨時間相比，其抖動對到時準(zhǔn)確性的影響是非常小的。隨著處理器頻率的提升和處理能力的加強，這個抖動時間還可以進一步縮小。第2種抖動情況如圖4所示。

當(dāng)下一個時鐘節(jié)拍快到來時(如圖4中A時刻)，一個定時器被開啟了。因為系統(tǒng)能分辨的最小時間即時鐘節(jié)拍的間隔時間，所以定時器開啟時記錄的當(dāng)前時鐘節(jié)拍數(shù)為1，假設(shè)定時器的定時值就是一個時鐘節(jié)拍間隔。定時器開啟后，第2個時鐘節(jié)拍馬上就到了，由情況1的分析可知，這個定時器的回調(diào)函數(shù)很快就會被執(zhí)行。B時刻表示這個定時器回調(diào)函數(shù)第一次執(zhí)行。C、D時刻為回調(diào)函數(shù)的第2次與第3次執(zhí)行時刻，這兩次到時是比較準(zhǔn)確的。
因此，定時器從開啟到回調(diào)函數(shù)開始執(zhí)行的時間與定時值相比是有較大抖動的。若此時的時鐘節(jié)拍間隔為5 ms，則這個抖動的誤差最大即5 ms。這種情況下的抖動只能通過提高每秒的時鐘節(jié)拍數(shù)來減小。因此，在數(shù)據(jù)采集或其他定時器的應(yīng)用中，要留意定時器開啟后第一次到時的處理，以免進行錯誤的判斷。

4 定時器管理任務(wù)對操作系統(tǒng)性能的影響
定時器管理任務(wù)的運行使應(yīng)用程序可建立的任務(wù)數(shù)減1。該任務(wù)要求是系統(tǒng)中的最高優(yōu)先級，因此每次有時鐘中斷發(fā)生它都要運行，必然會消耗掉一定的CPU資源。軟件定時器功能所占用的CPU運行時間(設(shè)為M)的計數(shù)公式為：
M=定時器管理任務(wù)判斷定時器是否到時的時間+定時器回調(diào)函數(shù)執(zhí)行時間+定時器控制塊移除
與再插入時間+切換到次低優(yōu)先級任務(wù)的時間
首先，采用μC／OS-II中自帶的統(tǒng)計任務(wù)測試定時器管理任務(wù)對CPU資源的占用情況。測試時系統(tǒng)中開啟3個任務(wù)：定時器管理任務(wù)、統(tǒng)計任務(wù)和Idle任務(wù)。定時器到時回調(diào)函數(shù)在定時器管理任務(wù)中執(zhí)行，增加了管理任務(wù)運行時間。為僅測試系統(tǒng)定時器管理功能的開銷，測試時將定時回調(diào)函數(shù)置為空操作。因統(tǒng)計任務(wù)要求必須在初始化時建立第一個也是唯一的一個任務(wù)中調(diào)用統(tǒng)計任務(wù)初始化函數(shù)OSStatInit()，所以需在定時器管理任務(wù)中進行必要改動，以保證在統(tǒng)計任務(wù)初始化后才開啟定時器的管理功能。測試用定時器在main函數(shù)中靜態(tài)創(chuàng)建。
測試后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)定時器數(shù)由1增加到8時，CPU的使用率一直是1％。這說明系統(tǒng)開啟定時器管理功能后，增加的負(fù)荷很小。另一方面因為統(tǒng)計任務(wù)計算CPU使用率時是整數(shù)相除、余數(shù)舍棄，這就使得0～(OSIidleCtrMax／100-1)的計數(shù)是不能被分辨的，因此統(tǒng)計任務(wù)不能準(zhǔn)確地反應(yīng)定時器管理任務(wù)對CPU的使用情況。
為了得到更準(zhǔn)確的測量結(jié)果，采用“處理器占用率”這一指標(biāo)對管理任務(wù)開銷進行測試。
處理器占用率=軟件定時器功能所占用的CPU運行時間(M)／CPU運行時間
當(dāng)某一時鐘節(jié)拍到來時，假設(shè)這一時鐘節(jié)拍下無定時器到時，即“到時定時器回調(diào)函數(shù)執(zhí)行時間”和“定時器控制塊移除與再插入時間”為0。若當(dāng)前系統(tǒng)中所創(chuàng)建的定時器正好在同一個分組中，則管理任務(wù)須對每個定時器的到時值進行比較，此時為無定時器到時時定時器管理任務(wù)對CPU的最高占用率。測試中，將定時器的到時值設(shè)定為8的倍數(shù)加1，在main()函數(shù)中靜態(tài)創(chuàng)建。使所有定時器控制塊在同一分組中，當(dāng)OSTime也是8的倍數(shù)加1時，就形成了無定時器到時時定時器管理任務(wù)的最壞運行情況。
測試環(huán)境為：ARM9(400 MHz)，定時器最小分辨時間為5 ms(該值作為計算時的“CPU運行時間”)，硬件計時器的最小分辨時間為0．02μs。讀硬件計時器計算時間，測試結(jié)果如表2所列。

由測試數(shù)據(jù)可知建立定時器數(shù)為8時，處理器占用率遠(yuǎn)小于1％。每增加一個定時器，定時器管理任務(wù)的運行時間約增加6．5μs，處理器的占用率約增加0．01％，任務(wù)的切換時間不變。這是在構(gòu)建的極端情況下測試的，實際應(yīng)用中的時間要小于這個值。
“定時器控制塊移除與再插入時間”在400 MHz下測試為0．22μs。某一時鐘節(jié)拍處理時，若有定時器到時，則最壞情況是這個到時的定時器控制塊在鏈表的最后，只有執(zhí)行完整個鏈表的判斷后才開始執(zhí)行該到時定時器的回調(diào)函數(shù)。假設(shè)定時器數(shù)為8，且鏈表中最后一個定時器先到時，則該定時器到時的這個鐘節(jié)拍下處理器利用率為：(0．34μs+0．22μs+0．82μs+定時器回調(diào)函數(shù)執(zhí)行時間)／5 ms=(1．38μs+定時器回調(diào)函數(shù)執(zhí)行時間)／5 ms。

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