μC/OS-II實時性能測試與研究
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實時操作系統(tǒng)是能夠滿足實時系統(tǒng)中實時任務(wù)的處理響應(yīng)時間要求的操作系統(tǒng)。實時操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動（eventdriven）的，能對來自外界的作用和信號在限定的時間范圍內(nèi)作出響應(yīng)。它強(qiáng)調(diào)的是實時性、可靠性和靈活性，與實時應(yīng)用軟件相結(jié)合成為有機(jī)的整體，起著核心作用；由它來管理和協(xié)調(diào)各項工作，為應(yīng)用軟件提供良好的運行軟件環(huán)境及開發(fā)環(huán)境。在多任務(wù)實時系統(tǒng)中，必然由實時操作系統(tǒng)來對實時任務(wù)進(jìn)行管理。
μC/OS-II是一種結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實時內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)。其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時間管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能。
現(xiàn)在許多工業(yè)控制系統(tǒng)用到了μC/OS-II，為了對其實時性有更深入具體的了解，本文對μC/OS-II的實時性進(jìn)行了測試和分析，在實時系統(tǒng)設(shè)計中具有現(xiàn)實意義。
1 μC/OS-II實時性能測試指標(biāo)
衡量嵌入式實時操作系統(tǒng)的好壞一般主要參考以下主要性能指標(biāo)參數(shù)： 任務(wù)切換時間、中斷響應(yīng)時間、任務(wù)響應(yīng)時間、任務(wù)創(chuàng)建/刪除時間、交替信號量時間、取得/釋放信號量時間、交替消息隊列傳輸時間等。本文僅對前2個最重要的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行測試分析。
1.1 任務(wù)切換時間
任務(wù)切換時間（Task CONtent Switch Time）可以反映出RTOS執(zhí)行任務(wù)的速度。
μC/OS-II使用的是占先式內(nèi)核，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)時間。每個任務(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(quán)。當(dāng)一個運行著的任務(wù)通過信號量等機(jī)制使一個更高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，μC/OS-II會進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。這時當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)就要被剝奪，那個高優(yōu)先級的任務(wù)會立刻得到CPU的控制權(quán)。
每個任務(wù)都有自己的一套CPU寄存器和棧空間。任務(wù)的切換實際上就是CPU寄存器內(nèi)容的切換。CPU內(nèi)部寄存器越多，額外負(fù)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(diào)度函數(shù)OSSched()完成，是比較花費時間的。因為這個函數(shù)有固定長度的語句，所以它的執(zhí)行時間是常數(shù)，與應(yīng)用程序建立了多少個任務(wù)沒有關(guān)系。
所以任務(wù)切換時間取決于CPU有多少寄存器要出入棧，以及相關(guān)調(diào)度函數(shù)的執(zhí)行速度。
1.2 中斷響應(yīng)時間
中斷響應(yīng)時間（Interrupt Response Time）可以反映出RTOS對外界變化的反應(yīng)速度，是指從中斷發(fā)生起到執(zhí)行中斷處理程序的第一條指令所用的時間。它是衡量嵌入式實時操作系統(tǒng)實時性能的最主要、最具有代表性的性能指標(biāo)。
中斷響應(yīng)時間=中斷延遲時間+保存CPU狀態(tài)的時間+該內(nèi)核的ISR進(jìn)入函數(shù)的執(zhí)行時間
中斷延遲時間=關(guān)中斷的最長時間+開始執(zhí)行中斷服務(wù)子程序(ISR)的第1條指令的時間
關(guān)中斷的最長時間取決于運行時不同的情況，其他參數(shù)在其系統(tǒng)中都有固定長度代碼。中斷響應(yīng)是系統(tǒng)在最壞情況下響應(yīng)中斷的時間。
2 μC/OS-II實時性能測試原理
2.1 任務(wù)切換時間測試原理
任務(wù)切換時間測試是利用系統(tǒng)內(nèi)部的定時器計算任務(wù)切換時間。給定時器一個初始值a1，并建立兩個任務(wù)；在任務(wù)1中開啟定時器，利用消息郵箱切換到任務(wù)2，停止計時，記錄定時器的值為a2。設(shè)系統(tǒng)時鐘的計數(shù)頻率為f，任務(wù)切換時間為TtcST，則：
2.2 中斷響應(yīng)時間測試原理
中斷響應(yīng)時間測試同樣也是利用定時器計算中斷響應(yīng)時間。給定時器一個初始值a1，建立一個任務(wù)和定時器中斷服務(wù)函數(shù)，在任務(wù)中開啟定時器;當(dāng)定時器自減為0時，進(jìn)入中斷服務(wù)子函數(shù)，在該子函數(shù)中關(guān)閉定時器，記錄定時器的值為a2。注意： 定時器歸0后自動變?yōu)槌跏贾礱1。設(shè)系統(tǒng)時鐘的計數(shù)頻率為f，中斷響應(yīng)時間為TIRt，則：
3 μC/OS-II實時性能測試步驟及結(jié)果
本文測試使用的硬件平臺為2410開發(fā)板，其中處理器采用Samsung公司的S3C2410X。S3C2410X是一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式處理器，系統(tǒng)主頻是202.8 MHz。
3.1 任務(wù)切換時間測試步驟及結(jié)果
① 系統(tǒng)時鐘初始化。這里只用到定時器0。PCLK = FCLK /4 = 202.8 MHz /4 = 50.7 MHz，預(yù)分頻值設(shè)置為0，除法器設(shè)為1/4，所以最小分頻為0.08 μs，f = 12.5 MHz。計時器0初始值TCNTB0設(shè)為60 000，即a1=60 000。
圖1 任務(wù)切換時間測試
② 如圖1所示，建立兩個任務(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開始運行，向郵箱發(fā)送一則消息，同時定時器開始計時；之后該任務(wù)延時一段時間，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(quán)。它進(jìn)入運行態(tài)后立即停止計時，記為a2。
③ 根據(jù)式(1)計算結(jié)果。
④ 重復(fù)10次實驗，取最大值為5.36 μs。
需要注意2點： 其一，有意義的任務(wù)切換時間和中斷響應(yīng)時間是系統(tǒng)在最壞情況下發(fā)生的，所以不能取平均值，應(yīng)該取最大值。其二，因為定時器是循環(huán)計數(shù)的，即從初始值自減到0，然后恢復(fù)初始值，繼續(xù)自減。所以停止計時時，定時器可能經(jīng)過了兩次或多次循環(huán)。設(shè)計程序時要注意這一點。在本次實驗中，循環(huán)最大間隔為60 000×0.08 μs = 4 800 μs，遠(yuǎn)大于一次任務(wù)切換時間或中斷響應(yīng)時間，所以定時器沒有經(jīng)過多次循環(huán)。
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