μCOS-II的实时性能分析

1、C/OS-II的实时性能分析        摘要：简单介绍一种公开源代码的实时操作系统C/OS-II，并对它的实时性能进行简单的测试。通过改变测试条件，如改变中断的类型或中断发生时系统的状态等，分析C/OS-II在中断时的中断响应时间与各种条件之间的关系，从而为分析或改善实时操作系统的中断响应时间提供理论依据。关键词：RTOS C/OS-II 中断响应时间 实时性能引 言1 嵌入式实时操作系统和C/OS-II嵌入式操作系统EOS(Embedded Oper

2、ating 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。C/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C/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

3、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

4、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

5、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。tFIQFIQ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 s。对于最大的IRQ延迟，其计算与

6、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C/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

7、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，

8、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C/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C/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

9、代码已经被编写成一个宏HANDLER）4。具体可见参考文献4的P358P359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 C/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

10、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C/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=11059 MHz×444.236 MHz。存储器加速开启。中断类型

11、为IRQ中断，优先级为0，即最高优先级。C/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

12、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P384P385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C/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

13、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VICVect

14、Addr00；/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EINT1IODIR = 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 =&#

15、160;(int)IRQ_Ecpe;/设置EINT0向量地址VICIntEnable = 0x00008000;/使能EINT0EXTINT = 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=OSSemCre