μC／OS-II實時性能測試與研究

　　實時性是指系統(tǒng)能夠在限定的時間內完成任務并對外部的異步事件作出及時響應。在大多數工業(yè)控制中，對實時性的要求非常高。

　　實時操作系統(tǒng)是能夠滿足實時系統(tǒng)中實時任務的處理響應時間要求的操作系統(tǒng)。實時操作系統(tǒng)是事件驅動(event-driven)的，能對來自外界的作用和信號在限定的時間范圍內作出響應。它強調的是實時性、可靠性和靈活性，與實時應用軟件相結合成為有機的整體，起著核心作用;由它來管理和協調各項工作，為應用軟件提供良好的運行軟件環(huán)境及開發(fā)環(huán)境。在多任務實時系統(tǒng)中，必然由實時操作系統(tǒng)來對實時任務進行管理。

　　μC/OS-II是一種結構小巧、具有可剝奪實時內核的實時操作系統(tǒng)。其內核提供任務調度與管理、時間管理、任務間同步與通信、內存管理和中斷服務等功能。

　　現在許多工業(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的實時性進行了測試和分析，在實時系統(tǒng)設計中具有現實意義。

　　1 μC/OS-II實時性能測試指標

　　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參數：任務切換時間、中斷響應時間、任務響應時間、任務創(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個最重要的指標參數進行測試分析。

　　1.1 任務切換時間

　　任務切換時間(Task Content Switch Time)可以反映出RTOS執(zhí)行任務的速度。

　　μC/OS-II使用的是占先式內核，以保證系統(tǒng)的響應時間。每個任務都被賦予一定的優(yōu)先級，最高優(yōu)先級的任務一旦就緒，就能得到CPU的控制權。當一個運行著的任務通過信號量等機制使一個更高優(yōu)先級的任務進入了就緒態(tài)，μC/OS-II會進行任務調度。這時當前任務的CPU使用權就要被剝奪，那個高優(yōu)先級的任務會立刻得到CPU的控制權。

　　每個任務都有自己的一套CPU寄存器和?？臻g。任務的切換實際上就是CPU寄存器內容的切換。CPU內部寄存器越多，額外負荷就越重。

　　在任務切換之前還需要在就緒表中查找出優(yōu)先級最高的任務，它由任務調度函數OSSched()完成，是比較花費時間的。因為這個函數有固定長度的語句，所以它的執(zhí)行時間是常數，與應用程序建立了多少個任務沒有關系。

　　所以任務切換時間取決于CPU有多少寄存器要出入棧，以及相關調度函數的執(zhí)行速度。

　　1.2 中斷響應時間

　　中斷響應時間(Interrupt Response Time)可以反映出RTOS對外界變化的反應速度，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。

　　中斷響應時間=中斷延遲時間+保存CPU狀態(tài)的時間+該內核的ISR進入函數的執(zhí)行時間

　　中斷延遲時間=關中斷的最長時間+開始執(zhí)行中斷服務子程序(ISR)的第1條指令的時間

　　關中斷的最長時間取決于運行時不同的情況，其他參數在其系統(tǒng)中都有固定長度代碼。中斷響應是系統(tǒng)在最壞情況下響應中斷的時間。

　　2 μC/OS-II實時性能測試原理

　　2.1 任務切換時間測試原理

　　任務切換時間測試是利用系統(tǒng)內部的定時器計算任務切換時間。給定時器一個初始值a1，并建立兩個任務;在任務1中開啟定時器，利用消息郵箱切換到任務2，停止計時，記錄定時器的值為a2。設系統(tǒng)時鐘的計數頻率為f，任務切換時間為Ttest，則：

　　Ttest=(a1-a2)/f (1)

　　2.2 中斷響應時間測試原理

　　中斷響應時間測試同樣也是利用定時器計算中斷響應時間。給定時器一個初始值a1，建立一個任務和定時器中斷服務函數，在任務中開啟定時器;當定時器自減為0時，進入中斷服務子函數，在該子函數中關閉定時器，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。設系統(tǒng)時鐘的計數頻率為f，中斷響應時間為Tirt，則：

　　Tirt=(a1-a2)/f (2)

　　3 μC/OS-II實時性能測試步驟及結果

　　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 任務切換時間測試步驟及結果

　?、傧到y(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，預分頻值設置為0，除法器設為1/4，所以最小分頻為0.08 μs，f=12.5 MHz。計時器0初始值TCNTB0設為60 000，即a1=60 000.

　?、谌鐖D1所示，建立兩個任務：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_TCS'T_Start開始運行，向郵箱發(fā)送一則消息，同時定時器開始計時;之后該任務延時一段時間，進入掛起狀態(tài)。Task_TCST_End收到郵箱消息，由等待狀態(tài)進入就緒態(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。它進入運行態(tài)后立即停止計時，記為a2。

　?、鄹鶕?1)計算結果。

　?、苤貜?0次實驗，取最大值為5.36μs。

　　需要注意2點：其一，有意義的任務切換時間和中斷響應時間是系統(tǒng)在最壞情況下發(fā)生的，所以不能取平均值，應該取最大值。其二，因為定時器是循環(huán)計數的，即從初始值自減到0，然后恢復初始值，繼續(xù)自減。所以停止計時時，定時器可能經過了兩次或多次循環(huán)。設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