雷金奎 ，邵元元 ，田 力

1.西北工業(yè)大學(xué) 第365研究所，西安 710065

2.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 710072

3.西安愛(ài)生技術(shù)集團(tuán)公司，西安 710065

1 引言

實(shí)時(shí)系統(tǒng)是能夠在指定的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和外部或內(nèi)部、同步或異步事件做出響應(yīng)的系統(tǒng)[1]。實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，計(jì)算的正確性不僅取決于程序的邏輯正確性，也取決于結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間。如果系統(tǒng)的時(shí)間約束條件得不到滿足，將會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，造成重大的生命財(cái)產(chǎn)損失和生態(tài)破壞。因此，實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該具備在事先定義的時(shí)間范圍內(nèi)識(shí)別和處理離散事件的能力；能夠處理和存儲(chǔ)控制系統(tǒng)所需要的大量數(shù)據(jù)。

提出了一種基于μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的代碼執(zhí)行時(shí)間測(cè)量方法，并使用Microsemi SoftConsole IDE v3.3開發(fā)環(huán)境，在基于Cortex-M3核的SmartFusion主控芯片上實(shí)現(xiàn)了相關(guān)的代碼。本文測(cè)量了μC/OS-II在SmartFusion平臺(tái)下的一些實(shí)時(shí)性指標(biāo)，為代碼的實(shí)時(shí)性提供了一個(gè)時(shí)間上的參考，為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性提供了保障[2-3]。

2 μC/OS-II多任務(wù)環(huán)境下的時(shí)間測(cè)量方法

在微機(jī)系統(tǒng)中，往往可以處理多個(gè)中斷和多個(gè)任務(wù)。代碼在執(zhí)行過(guò)程中，隨時(shí)可能被中斷，然后CPU將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給中斷服務(wù)例程；也可能將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給其他任務(wù)。這些原因，導(dǎo)致在μC/OS-II多任務(wù)環(huán)境下，測(cè)到的代碼執(zhí)行時(shí)間的不確定性[4]。

2.1 測(cè)量代碼執(zhí)行時(shí)間的原理

測(cè)量一段代碼C的執(zhí)行時(shí)間，一種比較直觀的想法是這樣的：先讀取系統(tǒng)時(shí)鐘值TS，然后執(zhí)行待測(cè)代碼段C，最后再讀取時(shí)鐘值TE，得出待測(cè)代碼段的執(zhí)行時(shí)間TC=TE-TS。將在這個(gè)基本想法上進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)充，使最終得到的時(shí)間TC中，去除時(shí)間測(cè)量函數(shù)自身、中斷和任務(wù)切換的影響。由于執(zhí)行代碼前后各有一次讀取當(dāng)前時(shí)刻值的操作，因此可以把前后兩次時(shí)刻讀取過(guò)程及相關(guān)的操作封裝為一對(duì)時(shí)間測(cè)量函數(shù)對(duì)。然后，可以把函數(shù)對(duì)中的兩個(gè)函數(shù)分別放到代碼段C之前和之后，執(zhí)行完代碼段C和時(shí)間測(cè)量函數(shù)對(duì)之后就能得出代碼段C的執(zhí)行時(shí)間。

考慮到時(shí)間測(cè)量函數(shù)自身、中斷和任務(wù)切換的影響，待測(cè)代碼段C的實(shí)際執(zhí)行時(shí)間（占有CPU的時(shí)間），可以表示如下：

其中，TE為代碼C結(jié)束執(zhí)行的時(shí)刻，TS為開始執(zhí)行代碼C的時(shí)刻，Tint為代碼C被中斷服務(wù)例程中斷的總時(shí)間，Tprof為測(cè)量代碼本身引入的測(cè)量總偏差。Tenter_exit為進(jìn)入中斷和退出中斷所需的時(shí)間，Toffset_int是執(zhí)行一次中斷時(shí)間測(cè)量函數(shù)對(duì)所需要的時(shí)間，Tint_exec為中斷服務(wù)代碼的執(zhí)行時(shí)間。Toffset為執(zhí)行一次時(shí)間測(cè)量代碼對(duì)所需的時(shí)間；Tin_offset是執(zhí)行時(shí)間測(cè)量函數(shù)對(duì)的過(guò)程中，兩次時(shí)刻讀取之間的代碼的執(zhí)行時(shí)間；Tin_offset_int是執(zhí)行中斷時(shí)間測(cè)量函數(shù)對(duì)的過(guò)程中，兩次時(shí)刻讀取之間的代碼的執(zhí)行時(shí)間。因?yàn)閮蓚€(gè)函數(shù)對(duì)中代碼不完全相同，所以兩次時(shí)刻讀取之間的代碼執(zhí)行時(shí)間就不同。

為了消除中斷的影響，本文對(duì)所有的中斷服務(wù)歷程的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行了測(cè)量，以便扣除中斷服務(wù)例程的執(zhí)行時(shí)間，得到代碼段的準(zhǔn)確執(zhí)行時(shí)間。

2.2 ?？臻g與多任務(wù)環(huán)境下的時(shí)間測(cè)量

在多任務(wù)環(huán)境下，任務(wù)都有自己的?？臻g和上下文環(huán)境。當(dāng)進(jìn)行任務(wù)切換的時(shí)候，把當(dāng)前任務(wù)的上下文環(huán)境保存到自己的棧空間，然后把下一個(gè)任務(wù)的上下文環(huán)境從它的棧空間中恢復(fù)到寄存器中，CPU的控制權(quán)就從一個(gè)任務(wù)轉(zhuǎn)移到了另一個(gè)任務(wù)。

考慮到測(cè)量時(shí)間的過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生任務(wù)切換、中斷等，給每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)時(shí)間測(cè)量棧。用隨著任務(wù)的切換而切換棧，來(lái)處理多任務(wù)下的時(shí)間測(cè)量問(wèn)題。如圖1所示，任務(wù)task0、task1、…、task N的時(shí)間測(cè)量棧分別是task0_stack、task1_stack、…、task N_stack，指針數(shù)組task_stk_top[]保存著未處于運(yùn)行狀態(tài)的任務(wù)的時(shí)間測(cè)量棧棧頂，指針cur_stk_top跟蹤著當(dāng)前運(yùn)行的那個(gè)任務(wù)的時(shí)間測(cè)量棧棧頂。

當(dāng)任務(wù)切換的時(shí)候，比如從task1切換到task0，把cur_stk_top保存到task_stk_top[1]，然后將task_stk_top[0]賦給cur_stk_top。這樣，當(dāng)前活躍的就是task0的棧了。

任務(wù)的時(shí)間測(cè)量棧如圖2所示，它的棧元素是結(jié)構(gòu)體struct cp_time_prof_node_t，定義如下：

圖1 多任務(wù)環(huán)境下的時(shí)間測(cè)量棧

圖2 每個(gè)任務(wù)的?？臻g

其中，成員變量Ts是待測(cè)代碼段的開始時(shí)刻；Terr是中斷、任務(wù)切換和時(shí)間測(cè)量代碼引入的時(shí)間測(cè)量偏差，即式（1）中的Tint+Tprof；pnode是前一個(gè)棧元素的指針。

待測(cè)量代碼執(zhí)行完畢后，讀取當(dāng)前時(shí)刻Te，并根據(jù)式（1）、式（2）和式（3）算出它的執(zhí)行時(shí)間，并把執(zhí)行時(shí)間等信息保存到數(shù)組struct cp_cp_time_prof_t cp_time_prof[]，對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行保存。它的定義如下所示，其中，成員變量nb_of_states是待測(cè)代碼段總共測(cè)量的次數(shù)，total_exec_time是總共執(zhí)行時(shí)間，max_time、min_time分別是最大執(zhí)行時(shí)間和最小執(zhí)行時(shí)間。

2.3 函數(shù)及其流程

本文定義了五個(gè)函數(shù)，定義及功能：

函數(shù)time_init（）用于初始化與時(shí)間測(cè)量相關(guān)的數(shù)據(jù)。

這一對(duì)函數(shù)，構(gòu)成測(cè)量代碼執(zhí)行時(shí)間的函數(shù)對(duì)，用于測(cè)量代碼的執(zhí)行時(shí)間。

這一對(duì)函數(shù)，構(gòu)成測(cè)量中斷服務(wù)代碼執(zhí)行時(shí)間的函數(shù)對(duì)，用于測(cè)量中斷服務(wù)代碼的執(zhí)行時(shí)間，并把對(duì)被中斷的代碼的執(zhí)行時(shí)間上的影響記錄下來(lái)，方便被中斷的代碼計(jì)算自身的執(zhí)行時(shí)間。

μC/OS-II中，每次切換任務(wù)上下文的時(shí)候要調(diào)用這個(gè)函數(shù)。這個(gè)鉤子函數(shù)在任務(wù)切換時(shí)，切換任務(wù)所使用的時(shí)間測(cè)量棧。

測(cè)量代碼執(zhí)行時(shí)間的流程：

（1）調(diào)用cp_time_init（）進(jìn)行時(shí)間測(cè)量相關(guān)代碼初始化；

（2）調(diào)用cp_time_prof_start（cp_time_prof_id_t id）開始測(cè)量，參數(shù)id是以后測(cè)量結(jié)果在數(shù)組cp_time_prof[]中的存儲(chǔ)位置的索引；

（3）執(zhí)行待測(cè)代碼段；

（4）調(diào)用 cp_time_prof_end（cp_time_prof_id_t id）結(jié)束測(cè)量；

（5）轉(zhuǎn)步驟（2），開始測(cè)量下一段代碼的執(zhí)行時(shí)間。

函數(shù)void cp_time_init（）對(duì)時(shí)間測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)的初始化流程：

（1）初始化系統(tǒng)時(shí)鐘；

（2）屏蔽所有中斷；

（3）初始化所有任務(wù)的時(shí)間測(cè)量棧、棧頂指針task_stk_top[]和當(dāng)前活躍任務(wù)的棧頂cur_stk_top；

（4）初始化存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果的數(shù)組cp_time_prof[]，令其所有成員存儲(chǔ)的最大執(zhí)行時(shí)間為0，最小執(zhí)行時(shí)間為（unsigned）－1，總執(zhí)行時(shí)間為0，統(tǒng)計(jì)次數(shù)為0；

（5）計(jì)算 Toffset、Tin_offset、Toffset_int和 Tin_offset_int的值；

（6）除屏蔽所有中斷。

函數(shù)void cp_time_prof_start（cp_time_prof_id_t id）的流程：

（1）屏蔽所有中斷；

（2）讀取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)刻；

（3）入棧，用新的棧頂元素的成員變量Ts保存當(dāng)前時(shí)刻，新棧頂元素的成員Terr賦Tin_offset，pnode賦上一個(gè)元素的地址形成鏈表，把輸入?yún)?shù)賦給id；

（4）除屏蔽所有中斷。

函數(shù) void cp_time_prof_end（cp_time_prof_id_t id）的流程：

（1）屏蔽所有中斷；

（2）讀取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)刻，記為Te；

（3）設(shè)待測(cè)代碼執(zhí)行時(shí)間為Tc，則Tc=Te－Ts－Terr，把結(jié)果記錄到cp_time_prof[id]中；

（4）出棧，把原棧頂?shù)奶幚磉^(guò)程對(duì)新棧頂?shù)挠绊憰r(shí)間加到新棧頂?shù)腡err上；即把原棧頂?shù)某蓡T變量Terr加到新棧頂?shù)腡err上，時(shí)間測(cè)量函數(shù)對(duì)執(zhí)行一次引入的偏差Toffset也要加到新棧頂?shù)腡err上；

（5）除屏蔽所有中斷。

void cp_time_prof_start_int（cp_time_prof_id_t id）和void cp_time_prof_start（cp_time_prof_id_t id）函數(shù)的流程很相似，僅僅是給Terr賦的初值不同：

（1）屏蔽所有中斷；

（2）讀取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)刻；

（3）入棧，用新的棧頂元素的成員變量Ts保存當(dāng)前時(shí)刻，新棧頂元素的成員Terr賦Tin_offset_int，pnode賦上一個(gè)元素的地址形成鏈表，把輸入?yún)?shù)賦給id；

（4）除屏蔽所有中斷。

函數(shù)void cp_time_prof_end_int（cp_time_prof_id_t id）的流程：

（1）屏蔽所有中斷；

（2）讀取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)刻，記為Te；

（3）設(shè)待測(cè)代碼執(zhí)行時(shí)間為Tc，則Tc=Te－Ts－Terr，把結(jié)果記錄到cp_time_prof[id]中；

（4）出棧，把中斷處理過(guò)程對(duì)新棧頂?shù)挠绊憰r(shí)間加到新棧頂?shù)腡err上；即把中斷服務(wù)例程的執(zhí)行時(shí)間Tc加到新棧頂?shù)腡err上，中斷時(shí)間測(cè)量函數(shù)對(duì)執(zhí)行一次引入的偏差Toffset_int和進(jìn)入退出中斷所需的時(shí)間Tenter_exit也要加到新棧頂?shù)腡err上；

（5）除屏蔽所有中斷。

函 數(shù) void cp_time_prof_CtxSw_hook（uint32_t cur，uint32_t next）是μC/OS-II的任務(wù)切換函數(shù)void OS_TASK_SW（）調(diào)用的鉤子函數(shù)，它完成的操作就是當(dāng)任務(wù)切換的時(shí)候，比如從task1切換到task0，把cur_stk_top保存到task_stk_top[1]，然后將 task_stk_top[0]賦給 cur_stk_top。這樣，當(dāng)前活躍的就是task0的棧了。

另外，在系統(tǒng)時(shí)鐘中斷服務(wù)例程中，需要維護(hù)系統(tǒng)時(shí)間供時(shí)間測(cè)量函數(shù)使用。

3 μC/OS-II多任務(wù)環(huán)境下實(shí)時(shí)時(shí)間參數(shù)的測(cè)量實(shí)例

使用SoftConsole IDE v3.3集成開發(fā)環(huán)境，使Smart-Fusion主控芯片工作在100 MHz，片內(nèi)RAM 20 kB，對(duì)代碼最大優(yōu)化條件下，測(cè)量了μC/OS-II的任務(wù)切換時(shí)間、搶占時(shí)間和信號(hào)洗牌時(shí)間[5-6]。

（1）上下文切換時(shí)間（任務(wù)切換時(shí)間）[7]：μC/OS-II會(huì)調(diào)用OS_TASK_SW（）進(jìn)行實(shí)際的上下文切換。OS_TASK_SW（）是宏調(diào)用，含有微處理器的軟中斷指令，利用此中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間的上下文切換。在移植μC/OS-II的時(shí)候，使用了PendSV軟中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換，因此任務(wù)切換時(shí)間其實(shí)就是PendSV中斷服務(wù)例程的執(zhí)行時(shí)間。在中斷服務(wù)函數(shù)代碼調(diào)用void cp_time_prof_start_int（）之后，緊接著調(diào)用void cp_time_prof_start（），在調(diào)用void cp_time_prof_CtxSw_hook（）之前，調(diào)用 void cp_time_prof_end（），得出PendSV中斷前半部分的執(zhí)行時(shí)間t1。在調(diào)用void cp_time_prof_CtxSw_hook（）之后，緊接著調(diào)用void cp_time_prof_start（），并在中斷服務(wù)函數(shù)代碼調(diào)用void cp_time_prof_end_int（）之前，調(diào)用void cp_time_prof_end（），得到PendSV中斷后半部分的執(zhí)行時(shí)間t2。最后算出任務(wù)切換時(shí)間t1加t2再加上進(jìn)入和退出中斷的時(shí)間得到總時(shí)間0.75μs。

（2）搶占時(shí)間[8]：搶占時(shí)間即系統(tǒng)將控制權(quán)從低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)轉(zhuǎn)移到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)所花費(fèi)的時(shí)間。在μC/OS-II中，調(diào)用函數(shù)void OS_Sched（）來(lái)尋找當(dāng)前就緒的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，并移交CPU控制權(quán)給這個(gè)任務(wù)。因此，只需測(cè)量函數(shù)void OS_Sched（）的執(zhí)行時(shí)間，再加上上下文切換時(shí)間就是搶占時(shí)間。在void OS_Sched（）的開始和結(jié)束處，分別調(diào)用void cp_time_prof_start（）和void cp_time_prof_end（），得到void OS_Sched（）的執(zhí)行時(shí)間0.91μs，加上任務(wù)切換時(shí)間得到搶占時(shí)間1.66μs。

（3）信號(hào)洗牌時(shí)間：指從一個(gè)任務(wù)釋放信號(hào)量到另一個(gè)等待該信號(hào)的任務(wù)被激活的時(shí)間延遲。μC/OS-II是通過(guò)INT8U OSMutexPost（）來(lái)釋放信號(hào)量的。在 INT8U OSMutexPost（）的開始和結(jié)束處，分別調(diào)用void cp_time_prof_start（）和 void cp_time_prof_end（）。編寫兩個(gè)任務(wù)，高優(yōu)先級(jí)的那個(gè)任務(wù)等待低優(yōu)先級(jí)任務(wù)釋放信號(hào)量。INT8U OSMutexPost（）的執(zhí)行時(shí)間是2.38μs，加上任務(wù)切換時(shí)間，得出信號(hào)洗牌時(shí)間是3.13μs。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種基于μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的代碼執(zhí)行時(shí)間測(cè)量方法，并用它測(cè)量了μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在SmartFusion+SoftConsole平臺(tái)上的一些時(shí)間指標(biāo)。用這個(gè)方法，可以比較準(zhǔn)確地測(cè)量代碼執(zhí)行的時(shí)間，在代碼優(yōu)化階段可以用它來(lái)評(píng)估代碼優(yōu)化的實(shí)際效果，具有很強(qiáng)的實(shí)用意義。

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