嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性比對(duì)與分析

以影響嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的一系列相關(guān)指標(biāo)為研究對(duì)象，以比對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，提出一種全新的基于CPLD的指標(biāo)評(píng)測(cè)方法；并以WinCE、Linux操作系統(tǒng)為測(cè)試對(duì)象，進(jìn)行了比對(duì)測(cè)試評(píng)價(jià)。最后結(jié)合兩種操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、調(diào)度策略等特征對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞 RTOS 比對(duì)評(píng)測(cè) 實(shí)時(shí)性 比對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

引言

　　嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS,Real Time Operating System）為嵌入式應(yīng)用的開(kāi)發(fā)者提供了系統(tǒng)級(jí)的支撐環(huán)境，極大地簡(jiǎn)化了嵌入式軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，成為操作系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的分支。隨著RTOS在嵌入式系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，RTOS的選擇與評(píng)價(jià)成為了一個(gè)重要的問(wèn)題。一個(gè)RTOS的評(píng)價(jià)要從很多角度進(jìn)行，如體系結(jié)構(gòu)、API的豐富程度、網(wǎng)絡(luò)支持、可靠性等。其中，實(shí)時(shí)性是RTOS評(píng)價(jià)的最重要的指標(biāo)之一，實(shí)時(shí)性的優(yōu)劣是用戶選擇操作系統(tǒng)的一個(gè)重要參考。評(píng)價(jià)一個(gè)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性應(yīng)該著重考察它的哪些指標(biāo)，以及如何進(jìn)行測(cè)試，是本文著重討論的問(wèn)題。

1? 操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的主要指標(biāo)

　　嚴(yán)格地說(shuō)，影響嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的因素有很多。限于篇幅，本文只列出影響操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的6個(gè)主要因素。

（1）? 常用系統(tǒng)調(diào)用平均運(yùn)行時(shí)間
　　即系統(tǒng)調(diào)用效率，是指內(nèi)核執(zhí)行常用的系統(tǒng)調(diào)用所需的平均時(shí)間。可以參考POSIX標(biāo)準(zhǔn)，按照進(jìn)程、線程、同步原語(yǔ)（信號(hào)量和互斥體等）、文件、內(nèi)存、中斷處理、時(shí)鐘、時(shí)間分類，選取部分常用的系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行測(cè)試，如建立/刪除進(jìn)程與線程、建立/刪除文件、讀/寫文件、設(shè)置/得到優(yōu)先級(jí)、創(chuàng)建/釋放信號(hào)量、分配/釋放內(nèi)存空間、加載/卸載中斷處理模塊等。選取的樣本不可能十分完整，在這里只是作為一種方法提出，僅供參考。

（2）? 任務(wù)切換時(shí)間
　　任務(wù)切換時(shí)間是指事件引發(fā)切換后，從當(dāng)前任務(wù)停止運(yùn)行、保存運(yùn)行狀態(tài)（CPU寄存器內(nèi)容），到裝入下一個(gè)將要運(yùn)行的任務(wù)狀態(tài)、開(kāi)始運(yùn)行的時(shí)間間隔，如圖1所示。

圖1? 任務(wù)切換時(shí)間

　　需要注意的是，要使任務(wù)進(jìn)行切換，需要一定的事件觸發(fā)。通常，這個(gè)事件是同步原語(yǔ)，使任務(wù)切換，并且過(guò)程可被監(jiān)控。但是，同步原語(yǔ)的操作會(huì)帶來(lái)一定的系統(tǒng)開(kāi)銷，而且不同操作系統(tǒng)的各種同步原語(yǔ)操作效率不同。因此，對(duì)被測(cè)操作系統(tǒng)使用其支持的各種同步原語(yǔ)進(jìn)行任務(wù)切換測(cè)試，選取各自用時(shí)最少者——這里稱為“最佳原語(yǔ)”，作為測(cè)量值，以使誤差最小。經(jīng)過(guò)對(duì)Mutex、Semaphore、Critical Section、SVR5 Semaphore、POSIX Semaphore、pthread_mutex的測(cè)試之后，測(cè)得WinCE的最佳原語(yǔ)為Critical Section，而Linux的最佳原語(yǔ)為 pthread_mutex。

（3）? 線程切換時(shí)間
　　線程是可被調(diào)度的最小單位。在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)中，很多功能是以線程的方式執(zhí)行的，所以線程切換時(shí)間同樣是考察的一個(gè)要點(diǎn)。測(cè)試方法及原理與任務(wù)切換類似，不再介紹。

（4）? 任務(wù)搶占時(shí)間
　　任務(wù)搶占時(shí)間是高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)從正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)中獲得系統(tǒng)控制權(quán)所消耗的時(shí)間，如圖2所示。

圖2? 任務(wù)搶占時(shí)間

（5）? 信號(hào)量混洗時(shí)間
　　信號(hào)量混洗時(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)量的任務(wù)被激活的時(shí)間延遲，如圖3所示。

圖3? 信號(hào)量混洗時(shí)間

　　在嵌入式系統(tǒng)中，通常有許多任務(wù)同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)某一共享資源，基于信號(hào)量的互斥訪問(wèn)保證了任一時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)能夠訪問(wèn)公共資源。信號(hào)量混洗時(shí)間反映了與互斥有關(guān)的時(shí)間開(kāi)銷，是RTOS實(shí)時(shí)性的一個(gè)重要指標(biāo)。

（6）? 中斷響應(yīng)時(shí)間
　　中斷響應(yīng)時(shí)間是指從中斷發(fā)生到開(kāi)始執(zhí)行用戶的中斷服務(wù)程序代碼來(lái)處理該中斷的時(shí)間。中斷處理時(shí)間通常不僅由RTOS決定，而且還由用戶的中斷處理程序決定，所以不應(yīng)包括在測(cè)試框架之內(nèi)。

　　針對(duì)這些指標(biāo)的部分或全部，已經(jīng)有了為數(shù)不少的測(cè)試方法和測(cè)試程序，例如Rhealstone方法，大量的benchmark（lmbench、HbenchOS等）。但這些測(cè)試方法及程序或者是由于計(jì)時(shí)方法的不足導(dǎo)致計(jì)時(shí)精度不夠，或者是由于需要過(guò)多的專業(yè)硬件設(shè)備（如邏輯分析儀、示波器，等），使得測(cè)試要求過(guò)高，測(cè)試條件不易達(dá)到，均存在著一定的缺陷。針對(duì)這些問(wèn)題，本文中提出了一種基于CPLD與目標(biāo)系統(tǒng)結(jié)合的測(cè)試方法，較好地解決了這些問(wèn)題。

2? 比對(duì)平臺(tái)及測(cè)試方法

2.1? 比對(duì)測(cè)試平臺(tái)介紹

　　為了更好地對(duì)嵌入式系統(tǒng)中各層次的軟件系統(tǒng)（包括操作系統(tǒng)、Bootloader、用戶應(yīng)用程序以及其他系統(tǒng)程序）進(jìn)行評(píng)測(cè)，我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了雙嵌入式系統(tǒng)比對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以2塊研華PCM7230開(kāi)發(fā)板（基于PXA255處理器）和1個(gè)CPLD器件為核心，開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行被測(cè)操作系統(tǒng)，保證了測(cè)試環(huán)境的完全相同；CPLD器件負(fù)責(zé)產(chǎn)生中斷負(fù)載、雙系統(tǒng)的同步置位/復(fù)位觸發(fā)與計(jì)時(shí)功能，保證了測(cè)試結(jié)果的精確，并且易于比對(duì)、觀察，突出評(píng)測(cè)過(guò)程比對(duì)的特點(diǎn)。圖4是比對(duì)測(cè)試平臺(tái)的邏輯結(jié)構(gòu)。

圖4? 比對(duì)測(cè)試平臺(tái)的邏輯結(jié)構(gòu)

　　下面列出的是比對(duì)平臺(tái)中主要的硬件型號(hào)與種類。

　　◇ CPU：XScale （400 Hz）。
　　◇ 時(shí)鐘：HT1381。
　　◇ ROM：1 MB AMD。
　　◇ SDRAM：64 MB。
　　◇ Flash：32 MB。
　　◇ I/O資源： 包含RS232（COM1～4），RS485（COM5），2個(gè)USB Host和1個(gè)USB Client，Ethernet DM9000.10/100 basedT，以及AMI120擴(kuò)展總線接口。

2.2? 測(cè)試與計(jì)時(shí)方法

　　在測(cè)試過(guò)程中，采用當(dāng)前比較流行的基準(zhǔn)測(cè)試程序法（benchmark）對(duì)上述實(shí)時(shí)性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)測(cè)。針對(duì)每一指標(biāo)，編寫相應(yīng)的測(cè)試程序。在測(cè)試過(guò)程中，一個(gè)最基本原則是盡可能地減小測(cè)量誤差，采用多種策略減小其他因素對(duì)測(cè)試的影響，例如關(guān)閉內(nèi)核中部分不需要的進(jìn)程，以縮短內(nèi)核占用CPU時(shí)間；禁用數(shù)據(jù)Cache和指令Cache，以避免高速緩存對(duì)RTOS相應(yīng)指標(biāo)的影響；對(duì)同一指標(biāo)進(jìn)行高頻度重復(fù)測(cè)試，統(tǒng)計(jì)其最大值、最小值和平均值等，得到盡可能客觀的結(jié)果。

　　與通常的基準(zhǔn)測(cè)試方法相比較，本測(cè)試方法的特點(diǎn)是采用CPLD器件與測(cè)試程序相結(jié)合的方法，利用CPLD與開(kāi)發(fā)板上豐富的引腳資源，通過(guò)CPLD進(jìn)行編程，可方便地對(duì)被測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生中斷負(fù)載、同步觸發(fā)，而且不會(huì)增加被測(cè)系統(tǒng)的額外負(fù)載。同時(shí)，減少系統(tǒng)調(diào)用的次數(shù)，使測(cè)試結(jié)果更加精確，更接近內(nèi)核自身的運(yùn)行值。

　　另外，測(cè)試過(guò)程的計(jì)時(shí)功能通過(guò)CPLD編程實(shí)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的利用RTOS內(nèi)核的時(shí)間系統(tǒng)調(diào)用計(jì)時(shí)方式相比，解決了不同操作系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用返回值精度不夠、單位不統(tǒng)一的問(wèn)題。由于比對(duì)平臺(tái)中的CPLD器件選用的是Xilinx公司的XC9500系列，其最高系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為100 MHz，引腳到引腳的最大時(shí)延為10 ns，因此實(shí)現(xiàn)的計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)精度可以達(dá)到數(shù)十ns，幾乎可以忽略不計(jì)，極大提高了計(jì)時(shí)精度，如圖5所示。

圖5? CPLD測(cè)試、計(jì)時(shí)方法

　　整個(gè)測(cè)試過(guò)程主要分為4部分：準(zhǔn)備工作，內(nèi)核測(cè)試程序編程，CPLD編程，與外界交互部分的實(shí)現(xiàn)。準(zhǔn)備工作包括編譯內(nèi)核、修改Bootloader等，Bootloader通過(guò)對(duì)i?boot?lite?1.8進(jìn)行修改，使其可應(yīng)用于比對(duì)平臺(tái)上；內(nèi)核測(cè)試程序按照前面所提到的6個(gè)指標(biāo)，劃分為6個(gè)模塊，分別編寫；CPLD編程主要包括計(jì)時(shí)程序、中斷負(fù)載加載程序等；外界交互部分主要包括串口通信、以太網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)。下面是部分CPLD上的VHDL程序源碼。其中，fenpin為時(shí)鐘頻率，flagreci為接收信號(hào)；當(dāng)使用按鍵人工控制時(shí)，flagsend和flagstop為計(jì)時(shí)開(kāi)始和結(jié)束。

process(fenpin,flagsend,flagreci,flagstop)
begin
　　flag<=flagsend & flagreci & flagstop;
　　if(fenpin′ event and fenpin='1') then
　　　　if(flag="0010000") then
　　　　　　if(tempsendout="0000000000000111") then
　　　　　　　　tempsendout<=tempsendout;
　　else
　　　　tempsendout<=tempsendout+'1';
　　end if;
　　countout<=countout+'1';
　　if(tempsendout="0000000000000111") then
　　　　outsend<='0';
　　　　outsendled<='0';
　　　　iscounting<='1';
　　else
　　　　outsend<='1';
　　　　outsendled<='1';
　　　　end if;
　　else
　　　　iscounting<='0';
　　　　signdisp<='1';
　　　　end if;
　　end if;
end process;

　　測(cè)試程序的代碼較多，這里不一一列出，僅給出程序中嵌入的與CPLD交互的部分代碼片段供參考。

#define base_add (*(volatile unsigned *)0x40E00000)
#define gpio3_derect (*(volatile unsigned *)(0x40E00000+0x0C))
#define gpio3_out1 (*(volatile unsigned *)(0x40E00000+0x18))
int to_CPLD(void) {
　　gpio3_derect = 0x8;//設(shè)置引腳為輸出
　　gpio3_out1 = 0x8;//輸出一個(gè)高電平
}

　　代碼的前段定義了相關(guān)寄存器的地址，在測(cè)試過(guò)程中，使用PXA255的GPIO3引腳與CPLD交互，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。由于需要在內(nèi)核態(tài)運(yùn)行，故該函數(shù)作為一個(gè)模塊編譯進(jìn)內(nèi)核，測(cè)試程序中通過(guò)ioctl系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行此段代碼，將信號(hào)發(fā)送給CPLD，CPLD計(jì)算2次信號(hào)的間隔時(shí)間，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。

3? Linux、WinCE的測(cè)試結(jié)果及分析

　　根據(jù)上述指標(biāo)體系及測(cè)試方法，我們對(duì)Linux和WinCE進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試。其中，Linux版本為2.4.19，WinCE版本為WinCE.Net。由于當(dāng)硬件平臺(tái)與運(yùn)行環(huán)境不同時(shí)，即使同一內(nèi)核運(yùn)行時(shí)體現(xiàn)的性能指標(biāo)也會(huì)不同，所以對(duì)不同RTOS的評(píng)測(cè)只有在相同平臺(tái)環(huán)境下進(jìn)行比對(duì)才有其價(jià)值，測(cè)試以評(píng)價(jià)為目標(biāo),評(píng)價(jià)以比對(duì)為依據(jù)。表1是對(duì)上述兩種內(nèi)核的評(píng)測(cè)結(jié)果。由于篇幅所限，這里只列出了平均時(shí)間，最大、最小值沒(méi)有列出。

表1? Linux和WinCE比對(duì)評(píng)測(cè)結(jié)果指標(biāo)

　　從表1中可以看出，在任務(wù)切換時(shí)間、線程切換時(shí)間、系統(tǒng)調(diào)用平均運(yùn)行時(shí)間幾項(xiàng)指標(biāo)中，Linux2.4.19和WinCE.Net相差不大；但在任務(wù)搶占時(shí)間、信號(hào)量混洗時(shí)間、中斷響應(yīng)時(shí)間幾項(xiàng)指標(biāo)中，WinCE.Net明顯優(yōu)于Linux2.4.19。總的來(lái)說(shuō)，WinCE.Net的實(shí)時(shí)性優(yōu)于Linux2.4.19。下面從兩種操作系統(tǒng)的特點(diǎn)、內(nèi)部實(shí)現(xiàn)機(jī)制等方面來(lái)解釋說(shuō)明上述測(cè)試結(jié)果。

　　Linux與WinCE均允許不同進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)相同，這一點(diǎn)不同于μC/OS等實(shí)時(shí)內(nèi)核（μC/OS中每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)唯一），所以采用的調(diào)度算法都是搶占式和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的混和式調(diào)度策略。因此，在同優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程切換時(shí)，二者指標(biāo)相差不大。

　　測(cè)試中使用的Linux2.4.19并非是為嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專用操作系統(tǒng)，只是對(duì)原有的通用內(nèi)核進(jìn)行了一定的裁剪；而WinCE.Net雖然也不是一個(gè)嚴(yán)格意義上的實(shí)時(shí)內(nèi)核，但卻是專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。所以，在任務(wù)搶占和中斷響應(yīng)方面，WinCE要顯著強(qiáng)于Linux。另外，Linux2.4.19在內(nèi)核級(jí)并不支持搶占，這也是它的搶占時(shí)間大于WinCE的一個(gè)主要原因。不過(guò)，這一點(diǎn)在2.6版本的Linux內(nèi)核中已經(jīng)得到了解決。

　　系統(tǒng)調(diào)用效率上，WinCE.Net要優(yōu)于Linux2.4.19，但是Linux的系統(tǒng)調(diào)用更加符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)，更加規(guī)范,而且更加開(kāi)放。

　　綜上所述，在對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的嵌入式系統(tǒng)中，WinCE.Net要比Linux2.4.19更加適用，并且WinCE.Net在開(kāi)發(fā)類桌面系統(tǒng)中繼承了微軟的一貫優(yōu)勢(shì)，使得開(kāi)發(fā)更加容易。但是，如果系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不高，Linux也許是更合適的選擇，因?yàn)槭褂盟梢越档统杀荆⑶彝耆珜?duì)用戶透明，便于修改定制。若想使用Linux作為操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)，則應(yīng)對(duì)其做適當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)性改造，或者直接使用已經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)改造的Linux內(nèi)核，如RTLinux等。

4? 總結(jié)與展望

　　本文介紹的測(cè)試方法與傳統(tǒng)的純軟件測(cè)試方法相比，具有精度高、易于比對(duì)的特點(diǎn)，且測(cè)試的復(fù)雜度并沒(méi)有顯著地增加；與單純的硬件測(cè)試方法相比，具有性價(jià)比高、需要設(shè)備少、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，且測(cè)試精度差別不大，但功能不如邏輯分析儀、示波器等專用硬件設(shè)備強(qiáng)大。本文介紹的嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性指標(biāo)體系還有著較大的完善和擴(kuò)展空間，每一個(gè)指標(biāo)都可以進(jìn)一步細(xì)化。若能在不同的負(fù)載條件下利用本文的測(cè)試方法進(jìn)一步測(cè)試，則可使得測(cè)試結(jié)果更加全面客觀。