呂海濤，朱巖

(南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210094)

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呂海濤，朱巖

(南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210094)

摘要:在特定的平臺下，測量了μC/OS-III的中斷響應(yīng)時間，分析了臨界區(qū)對μC/OS-III中斷響應(yīng)時間的影響，并提出了改善μC/OS-III實時性的方法。實驗結(jié)果證明，在系統(tǒng)設(shè)計不太復(fù)雜的情況下，μC/OS-III的中斷響應(yīng)時間可以控制在4 μs以內(nèi)。

關(guān)鍵詞:嵌入式操作系統(tǒng)；LPC1768；中斷響應(yīng)時間；臨界區(qū)；μC/OS-III

引言

嵌入式實時操作系統(tǒng)(Embedded Real-time Operating System，RTOS)，是指當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能夠接收并以足夠快的速度予以處理，處理的結(jié)果又能在規(guī)定的時間之內(nèi)來控制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)做出快速響應(yīng)，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運行的嵌入式操作系統(tǒng)。通常的操作系統(tǒng)需要完成進(jìn)程(線程)管理、存儲管理、設(shè)備管理、作業(yè)管理、安全管理等。受到嵌入式系統(tǒng)資源限制以及特定功能的定位，它們通常被設(shè)計得非常緊湊有效。嵌入式實時操作系統(tǒng)的主要功能是線程管理。

大多數(shù)的RTOS采用了基于優(yōu)先級的搶占式內(nèi)核調(diào)度算法，并且有以下特點：①每個線程有自己的優(yōu)先級并且通常不會改變；②活動的線程有運行態(tài)、就緒態(tài)、等待態(tài)等狀態(tài)；③系統(tǒng)的內(nèi)核總是運行優(yōu)先級最高的就緒態(tài)線程；④當(dāng)一個低優(yōu)先級線程在運行時，一個高優(yōu)先級線程進(jìn)入就緒態(tài)會發(fā)生搶占，高優(yōu)先級線程會剝奪低優(yōu)先級線程的CPU控制權(quán)，低優(yōu)先級線程會進(jìn)入就緒態(tài)。

μC/OS系列實時內(nèi)核于1992年推出，開放源代碼，可以自由下載用于教育目的和非商業(yè)目的，如用于商業(yè)應(yīng)用及產(chǎn)品，則需要購買其使用許可證。μC/OS-II自1998年推出以來，因其方便移植、代碼量小、實時性強(qiáng)、可靠性高、內(nèi)核可剪裁等，成為我國計算機(jī)嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域最受歡迎的實時操作系統(tǒng)之一。經(jīng)過多年不斷發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展到第三代。μC/OS-III是一個全新的RTOS內(nèi)核，定位于高端32位CPU，它的功能比μC/OS-II更加強(qiáng)大，比如：支持相同優(yōu)先級和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法；將中斷級任務(wù)調(diào)度交給系統(tǒng)任務(wù)處理，大大縮短了中斷執(zhí)行時間；采用哈希散列表機(jī)制處理時鐘節(jié)拍，真正做到了硬實時；直接向任務(wù)發(fā)信號量，簡化了程序，提高了實時性；增強(qiáng)了諸多調(diào)試功能、內(nèi)置式性能測試等等。當(dāng)然，這些功能也必然占用更多的內(nèi)存資源。

1μC/OS-III的中斷響應(yīng)時間

評估實時操作系統(tǒng)的最重要指標(biāo)是響應(yīng)時間，主要包括中斷響應(yīng)時間、上下文切換時間、線程返回時間等。

中斷響應(yīng)時間是指從檢測到中斷請求到執(zhí)行中斷服務(wù)程序的第一條指令所需要的時間,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)。μC/OS-III從中斷消息或信號有直接發(fā)布和延遲發(fā)布兩種方式。μC/OS-II采用的就是直接發(fā)布模式，μC/OS-III在保留了直接發(fā)布模式的基礎(chǔ)上又新增了延遲發(fā)布模式。本文只研究μC/OS-III的直接發(fā)布模式。

當(dāng)中斷發(fā)生時，系統(tǒng)運行狀態(tài)是不確定的，在μC/OS-III中，中斷發(fā)生時主要有以下情況：

(1) 線程模式

① 系統(tǒng)運行在正常的任務(wù)(非臨界區(qū))中,此時，中斷會剝奪任務(wù)的CPU控制權(quán)。

② 系統(tǒng)運行在任務(wù)的臨界區(qū)中,此時中斷是關(guān)閉的，被掛起，待離開臨界區(qū)打開后會立即響應(yīng)中斷。

(2) 處理模式

① 異常處理中并且處于非臨界區(qū)。當(dāng)優(yōu)先級比正在運行的中斷服務(wù)程序高時，高優(yōu)先級中斷會優(yōu)先響應(yīng)，即中斷嵌套。當(dāng)比它低或與它相同時，發(fā)生的中斷會被掛起，待正在運行中斷服務(wù)程序結(jié)束后,立即響應(yīng)低優(yōu)先級中斷。

② 異常處理中并且處于臨界區(qū)。發(fā)生的中斷會被掛起，待中斷重新打開后，會根據(jù)優(yōu)先級決定立即響應(yīng)中斷或等待當(dāng)前異常處理結(jié)束后響應(yīng)。

從以上的分析可以看出，中斷相對于CPU是一個異步事件。當(dāng)發(fā)生中斷時，有優(yōu)先級更高或相同的中斷在處理時，相同或高優(yōu)先級中斷服務(wù)程序時間難以確定。所以本文研究的是最高優(yōu)先級中斷的中斷響應(yīng)時間，也就是中斷發(fā)生時，沒有比它優(yōu)先級更高或相同的中斷或異常在處理。定義中斷響應(yīng)時間為：

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ISR進(jìn)入函數(shù)的時間[2]

其中，中斷延遲時間指最大中斷關(guān)閉時間。

當(dāng)中斷采用直接發(fā)布時，會采用關(guān)中斷的方法來保護(hù)臨界區(qū)。臨界區(qū)的大小取決于不同的環(huán)境，比如多個任務(wù)具有相同的優(yōu)先級，多個任務(wù)等待多個事件，同時等待多個內(nèi)核對象，以廣播方式發(fā)送消息或信號量都會導(dǎo)致臨界段代碼變長。

當(dāng)有以上因素導(dǎo)致系統(tǒng)的臨界段代碼比較長時，可以使用延遲發(fā)布模式。在延遲發(fā)布模式下，發(fā)布信號或消息時，不會直接發(fā)布，而是將這個發(fā)布函數(shù)調(diào)用和相應(yīng)的參數(shù)寫到專用隊列中(中斷隊列)，然后使中斷隊列處理任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)。這個任務(wù)是μC/OS-III中的內(nèi)部任務(wù)，具有最高的任務(wù)優(yōu)先級，所以可以鎖定任務(wù)調(diào)度器，禁止任務(wù)調(diào)度，這樣就保護(hù)了臨界區(qū)。

保存CPU狀態(tài)時間和該內(nèi)核ISR進(jìn)入函數(shù)的時間取決于具體的硬件，比如本文所使用的是基于Cortex-M3處理器，這個時間相對是固定的，可以通過測量得出。

2測量原理和方法

在μC/OS-III中，進(jìn)入和離開臨界區(qū)分別調(diào)用OS_CRITICAL_ENTER()和OS_CRITICAL_EXIT()。在OS_CRITICAL_ENTER()后記錄時間戳T1，在OS_CRITICAL_EXIT()前記錄時間戳T2，那么T2-T1為此臨界區(qū)的中斷關(guān)閉時間。臨界區(qū)長度的測量如圖1所示。

圖1　臨界區(qū)長度的測量

在具體的實現(xiàn)方式方面，μC/OS-III提供了測量中斷關(guān)閉時間的功能。它用CPU_IntDisMeasStart( )和CPU_IntDisMeasStop( )兩個函數(shù)來分別記錄T1和T2。要注意，在臨界區(qū)中加入了測量中斷關(guān)閉時間函數(shù)，必然會增加額外的開銷，導(dǎo)致臨界區(qū)變長。通過調(diào)用CPU_IntDisMeasInit ( )初始化中斷關(guān)閉時間測量功能，連續(xù)調(diào)用以上兩個函數(shù)，記錄的時間戳差TOH為測量中斷關(guān)閉時間的開銷，最后實際的中斷關(guān)閉時間T=T2-T1-TOH。打開測量中斷關(guān)閉時間功能后，每次進(jìn)入臨界區(qū)，系統(tǒng)自動測量中斷關(guān)閉時間，并保存最大中斷關(guān)閉時間。

中斷響應(yīng)時間主要通過系統(tǒng)的定時器來測量。給定時器一個匹配值TM，當(dāng)定時器的計數(shù)值達(dá)到匹配值時，產(chǎn)生中斷，在中斷程序的第一條讀取計數(shù)器的值TC，則中斷響應(yīng)時間為T=TC-TM。由前述所知，中斷響應(yīng)時間由于中斷關(guān)閉時間不同是不確定的，因此可以通過大量重復(fù)中斷來得出一系列中斷響應(yīng)時間，進(jìn)而可以得出中斷響應(yīng)時間的最小值、最大值、平均值等。

本文測量使用的硬件平臺是蘇州鼎尚信息科技的鼎尚LPC1768嵌入式開發(fā)板，LPC1768是恩智浦公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3的微控制器，主頻高達(dá)100 MHz，μC/OS-III已移植到開發(fā)板中。LPC1768內(nèi)部有4個定時器/計數(shù)器，定時器可以對外設(shè)時鐘(PCLK)進(jìn)行計數(shù)。系統(tǒng)默認(rèn)的PCLK為主頻的四分頻，將定時器外設(shè)設(shè)置成主頻的一分頻，即跟主頻一致為100 MHz，也就是計數(shù)器一個計數(shù)代表一個機(jī)器周期。

本文用到了兩個計數(shù)器，計數(shù)器0用來測量最大關(guān)中斷時間，計數(shù)器1用來測量中斷響應(yīng)時間。編寫3個任務(wù):一個單次任務(wù)初始化系統(tǒng)外設(shè)功能(定時器、串口、中斷等);創(chuàng)建兩個應(yīng)用任務(wù)，完成后刪除自己，兩個應(yīng)用任務(wù)是循環(huán)任務(wù)，分別向?qū)Ψ桨l(fā)送信號量和消息。μC/OS-III中建立的任務(wù)如圖2所示。

圖2　μC/OS-III中建立的任務(wù)

第一步，測量最大關(guān)中斷時間，使能關(guān)中斷的時間測量功能。配置一個外部中斷，程序運行一段時間后，按鍵按下產(chǎn)生中斷，中斷服務(wù)程序會將當(dāng)前實際關(guān)中斷的最大值通過串口發(fā)送到計算機(jī)上。中斷延遲時間測試程序流程圖如圖3所示。

圖3　中斷延遲時間測試程序流程圖

第二步，測量中斷響應(yīng)時間，將關(guān)中斷時間的測量功能關(guān)閉，設(shè)置匹配值為500 000，當(dāng)計數(shù)器值與匹配值相同時產(chǎn)生中斷。中斷服務(wù)程序的第一條讀取計數(shù)器值，將讀到的值減去匹配值得差值，通過串口發(fā)送到計算機(jī)，清零計數(shù)器，重復(fù)中斷1000次。中斷響應(yīng)時間測試流程圖如圖4所示。

圖4　中斷響應(yīng)時間測試流程圖

3實驗結(jié)果與分析

在第一步實驗中，測量最大關(guān)中斷時間，得到的結(jié)果是325個機(jī)器周期，也就是3.25 μs。這是系統(tǒng)穩(wěn)定運行了一段時間后，測得的最大中斷延遲時間。

在第二步實驗中，TASK1和TASK2內(nèi)部第一次無延時，第二次有延時,得到的中斷響應(yīng)時間分布如圖5和圖6所示。

圖5　無延時中斷響應(yīng)時間分布

圖6　有延時中斷響應(yīng)時間分布

從圖中可以看出，無延時時，有較多的點分布在中間部分，有延時時，在32處點分布十分密集。最底端的點意味著中斷發(fā)生時，程序沒有運行在臨界區(qū)，響應(yīng)時間較快。

表1是本次實驗數(shù)據(jù)的一些統(tǒng)計指標(biāo)。最小值相同，是指當(dāng)運行在非臨界區(qū)發(fā)生中斷時的響應(yīng)時間，這個時間是最好情況下的時間。在第一步實驗中測得的中斷關(guān)閉時間是325個機(jī)器周期，所以，可以認(rèn)為系統(tǒng)在最壞情況下的中斷響應(yīng)時間是325+32=357個機(jī)器周期(3.57 μs)。實驗測得的數(shù)據(jù)均在32~357之間，符合最大中斷響應(yīng)時間。因此,任務(wù)中有延時時，系統(tǒng)的中斷響應(yīng)時間會變快，這是因為延遲會減少發(fā)送信號量、消息的頻率，因而降低了任務(wù)調(diào)度和任務(wù)切換的頻率，進(jìn)入臨界區(qū)的時間變少，系統(tǒng)平均中斷響應(yīng)時間會變短。

表1　中斷響應(yīng)時間統(tǒng)計指標(biāo)(單位:機(jī)器周期)

結(jié)語

參考文獻(xiàn)

[1] 趙立業(yè),張激,游夏.實時操作系統(tǒng)的性能分析和評估[J].計算機(jī)工程,2008(8).

[2] Labrosse J J.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-III[M].邵貝貝,譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012.

[3] 尹旭峰,苑士華,胡紀(jì)濱.ARM微處理器中斷響應(yīng)時間的實驗研究[J].計算機(jī)工程,2011(4).

[4] 戴亮,戴勝華.μC/OS-II實時性能測試與研究[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2007(7).

呂海濤(碩士研究生)，研究方向為嵌入式軟硬件設(shè)計。

Interrupt Response Time Analysis and Improvement of μC/OS-III

Lü Haitao,Zhu Yan

(College of Automation,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Abstract：In a specific platform,the interrupt response time of μC/OS -III is measured and the critical region effect on interrupt response time is analyzed.Finally,the method of improving the real-time property of μC/OS -III is proposed.The experiment results show that the interrupt response time of μC/OS -III can be controlled under 4 μs.

Key words:embedded operating system;LPC1788;interrupt response time;critical region;μC/OS-III

收稿日期：(責(zé)任編輯：薛士然2015-05-14)

中圖分類號:TP316

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A