μC/OS-II实时性能测试与研究

1 μC/OS-II实时性能测试指标
　　
衡量嵌入式实时操作系统的好坏一般主要参考以下主要性能指标参数： 任务切换时间、中断响应时间、任务响应时间、任务创建/删除时间、交替信号量时间、取得/释放信号量时间、交替消息队列传输时间等。本文仅对前2个最重要的指标参数进行测试分析。

1.1 任务切换时间
　　
任务切换时间（Task CONtent Switch Time）可以反映出RTOS执行任务的速度。
　　
μC/OS-II使用的是占先式内核，以保证系统的响应时间。每个任务都被赋予一定的优先级，最高优先级的任务一旦就绪，就能得到CPU的控制权。当一个运行着的任务通过信号量等机制使一个更高优先级的任务进入了就绪态，μC/OS-II会进行任务调度。这时当前任务的CPU使用权就要被剥夺，那个高优先级的任务会立刻得到CPU的控制权。
　　
每个任务都有自己的一套CPU寄存器和栈空间。任务的切换实际上就是CPU寄存器内容的切换。CPU内部寄存器越多，额外负荷就越重。
　　
在任务切换之前还需要在就绪表中查找出优先级最高的任务，它由任务调度函数OSSched()完成，是比较花费时间的。因为这个函数有固定长度的语句，所以它的执行时间是常数，与应用程序建立了多少个任务没有关系。
　　
所以任务切换时间取决于CPU有多少寄存器要出入栈，以及相关调度函数的执行速度。

1.2 中断响应时间
　　
中断响应时间（Interrupt Response Time）可以反映出RTOS对外界变化的反应速度，是指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。它是衡量嵌入式实时操作系统实时性能的最主要、最具有代表性的性能指标。
　　
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
　　
中断延迟时间=关中断的最长时间+开始执行中断服务子程序(ISR)的第1条指令的时间
　　
关中断的最长时间取决于运行时不同的情况，其他参数在其系统中都有固定长度代码。中断响应是系统在最坏情况下响应中断的时间。

2 μC/OS-II实时性能测试原理

2.1 任务切换时间测试原理
　　
任务切换时间测试是利用系统内部的定时器计算任务切换时间。给定时器一个初始值a1，并建立两个任务；在任务1中开启定时器，利用消息邮箱切换到任务2，停止计时，记录定时器的值为a2。设系统时钟的计数频率为f，任务切换时间为TtcST，则：

2.2 中断响应时间测试原理
　　
中断响应时间测试同样也是利用定时器计算中断响应时间。给定时器一个初始值a1，建立一个任务和定时器中断服务函数，在任务中开启定时器;当定时器自减为0时，进入中断服务子函数，在该子函数中关闭定时器，记录定时器的值为a2。注意： 定时器归0后自动变为初始值a1。设系统时钟的计数频率为f，中断响应时间为TIRt，则：

3 μC/OS-II实时性能测试步骤及结果
　　
本文测试使用的硬件平台为2410开发板，其中处理器采用Samsung公司的S3C2410X。S3C2410X是一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式处理器，系统主频是202.8 MHz。

3.1 任务切换时间测试步骤及结果
　　
① 系统时钟初始化。这里只用到定时器0。PCLK = FCLK /4 = 202.8 MHz /4 = 50.7 MHz，预分频值设置为0，除法器设为1/4，所以最小分频为0.08 μs，f = 12.5 MHz。计时器0初始值TCNTB0设为60 000，即a1=60 000。

图1 任务切换时间测试

② 如图1所示，建立两个任务： Task_TCST_Start()和Task_TCST_End()。Task_TCST_End优先级高，运行后因等待邮箱的消息而挂起等待；然后Task_TCST_Start开始运行，向邮箱发送一则消息，同时定时器开始计时；之后该任务延时一段时间，进入挂起状态。Task_TCST_End收到邮箱消息，由等待状态进入就绪态，因为拥有就绪态队列中的最高优先级，所以获得CPU使用权。它进入运行态后立即停止计时，记为a2。
　　
③ 根据式(1)计算结果。
　　
④ 重复10次实验，取最大值为5.36 μs。
　　
需要注意2点： 其一，有意义的任务切换时间和中断响应时间是系统在最坏情况下发生的，所以不能取平均值，应该取最大值。其二，因为定时器是循环计数的，即从初始值自减到0，然后恢复初始值，继续自减。所以停止计时时，定时器可能经过了两次或多次循环。设计程序时要注意这一点。在本次实验中，循环最大间隔为60 000×0.08 μs = 4 800 μs，远大于一次任务切换时间或中断响应时间，所以定时器没有经过多次循环。