如何測(cè)量嵌入式產(chǎn)品實(shí)時(shí)性能

開發(fā)者在選擇嵌入式產(chǎn)品RTOS時(shí)，實(shí)時(shí)性能是最重要的標(biāo)準(zhǔn)之一。嵌入市場(chǎng)研究公司Evans Data和Venture Development(VDC)最新的研究報(bào)告稱，“實(shí)時(shí)性能”是開發(fā)者選擇商用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)最重要的因素。但問題是，何為實(shí)時(shí)性能，又如何測(cè)量呢?

實(shí)時(shí)性能

實(shí)時(shí)性能可定義為RTOS(或類似軟件)在響應(yīng)某事件時(shí)執(zhí)行相關(guān)操作的速度。實(shí)時(shí)意味著軟件必須在獨(dú)立的第二個(gè)事件發(fā)生前對(duì)第一事件作出響應(yīng)。

例如，當(dāng)汽車引擎進(jìn)氣閥打開時(shí)，引擎控制軟件必須計(jì)算正確的空氣燃料混合比，并在閥門關(guān)閉之前將其注入到汽缸里，為壓縮沖程作準(zhǔn)備。因此及時(shí)完成第一事件的響應(yīng)是非常關(guān)鍵的，這樣才能滿足第二事件的要求。這個(gè)響應(yīng)可能包括一系列操作，但最重要的是中斷處理和系統(tǒng)服務(wù)。

中斷處理

實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常是基于反應(yīng)機(jī)制的，系統(tǒng)需要作出響應(yīng)的事件通常叫做中斷。處理器一旦識(shí)別到中斷，就會(huì)采取相關(guān)措施，執(zhí)行響應(yīng)該事件的指令。

大多數(shù)情況下，處理器在遇到中斷之前正在執(zhí)行一些指令。一旦有中斷產(chǎn)生，這些處理必須暫停，當(dāng)中斷的關(guān)鍵

實(shí)時(shí)響應(yīng)完成后，再繼續(xù)原先的處理。大多數(shù)RTOS都為開發(fā)者提 供了中斷處理和應(yīng)用程序規(guī)劃及執(zhí)行管理的功能。中斷處理通常包括如下操作：

暫停當(dāng)前正在執(zhí)行的線程，

保持該線程繼續(xù)執(zhí)行時(shí)需要的有關(guān)數(shù)據(jù)，

將控制權(quán)交給中斷服務(wù)子程序(ISR),

在ISR中執(zhí)行一定的操作以決定需要采取哪些措施，

提取/保存該中斷相關(guān)的關(guān)鍵(引入的)數(shù)據(jù)，

設(shè)置所需的與設(shè)備相關(guān)的(輸出)值，

確定當(dāng)中斷及相關(guān)處理引起環(huán)境變化時(shí)需要執(zhí)行哪個(gè)線程，

清除中斷硬件以識(shí)別下一個(gè)中斷，

將控制轉(zhuǎn)交給選擇的線程，包括提取該線程上次中斷時(shí)保持的環(huán)境數(shù)據(jù)。

所有這些(也許還有更多操作，具體操作與RTOS相關(guān))都屬于中斷處理，但這僅是實(shí)時(shí)性能的一個(gè)方面。無庸置疑的是，在特定RTOS執(zhí)行這些操作會(huì)造成實(shí)時(shí)性能的顯著區(qū)別。

系統(tǒng)服務(wù)

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)并不僅限于響應(yīng)中斷。他們還必須規(guī)劃并管理應(yīng)用程序線程的執(zhí)行。RTOS處理來自各線程的請(qǐng)求，執(zhí)行規(guī)劃、信息傳遞、資源分配及很多其它服務(wù)。大多數(shù)情況下服務(wù)必須迅速執(zhí)行，這樣線程可以在下一中斷產(chǎn)生時(shí)完成相關(guān)的操作。

系統(tǒng)服務(wù)盡管不屬于中斷處理，它也一項(xiàng)關(guān)鍵的實(shí)時(shí)響應(yīng)，系統(tǒng)的成敗關(guān)鍵取決于系統(tǒng)服務(wù)。系統(tǒng)服務(wù)處理包括如下內(nèi)容：

規(guī)劃未來事件發(fā)生時(shí)相應(yīng)的任務(wù)或線程，

在線程間傳遞消息，

從通用池內(nèi)聲明資源

系統(tǒng)服務(wù)的實(shí)現(xiàn)雖然比中斷處理更多變，但在改善RTOS實(shí)時(shí)性能方面占據(jù)同樣重要的地位。系統(tǒng)服務(wù)和中斷處理一起實(shí)現(xiàn)RTOS要求的重要處理。不同RTOS的功能實(shí)現(xiàn)及架構(gòu)都有所不同，因而性能各異。

為何性能如此關(guān)鍵?

執(zhí)行這些功能所需的時(shí)間是實(shí)時(shí)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的指標(biāo)，時(shí)間必須確定，而且要求響應(yīng)速度快，這樣才不致丟失數(shù)據(jù)，或者導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)基本故障。

例如，飛行控制系統(tǒng)必須及時(shí)響應(yīng)導(dǎo)航輸入以避免系統(tǒng)運(yùn)作停止，磁盤控制器必須將磁盤讀寫頭的位置精確控制到相關(guān)點(diǎn);DSL路由器也必須快速響應(yīng)高速數(shù)據(jù)包抵達(dá)的中斷，這樣避免丟失數(shù)據(jù)，減少再次操作。

處理器速度在執(zhí)行所有RTOS指令方面非常關(guān)鍵，但僅此并不能滿足系統(tǒng)要求，也不能提供最經(jīng)濟(jì)有效的方案。

盡管2GHz處理器的代碼執(zhí)行速度另人滿意，但成本、功耗或者物理封裝等方面的性能均不適合嵌入式產(chǎn)品。相比之下，采用有效RTOS的經(jīng)濟(jì)型處理器并不一定遜色，還可能會(huì)勝出，而且不會(huì)引起快速處理器相關(guān)的成本、功率/散熱/封裝問題。

如何測(cè)量實(shí)時(shí)性能?

實(shí)時(shí)性能的測(cè)量注重最重要的方面，使用通用硬件平臺(tái)嚴(yán)格測(cè)量各項(xiàng)指標(biāo)，以比較不同RTOS。

因此開發(fā)者可以通過特定功能的執(zhí)行情況，比較每個(gè)RTOS的性能，以量化實(shí)時(shí)性能，為產(chǎn)品開發(fā)作出正確的決定。需要測(cè)量的關(guān)鍵RTOS功能包括：

環(huán)境切換(CS) : 需要保存當(dāng)前線程環(huán)境所需的時(shí)間，查找優(yōu)先級(jí)最高的線程并保存其環(huán)境。

中斷潛伏范圍(ILR): 中斷被禁止的時(shí)間。

RTOS系統(tǒng)服務(wù)

tx_thread_suspend. 暫停應(yīng)用程序線程。

tx_thread_resume. 繼續(xù)先前暫停的線程。

tx_thread_relinquish. 取消對(duì)其它應(yīng)用程序線程的控制。

tx_queue_send . 向消息隊(duì)列發(fā)送消息。

tx_queue_receive. 從消息隊(duì)列獲取消息。

tx_semaphore_get. 從計(jì)數(shù)信號(hào)獲得實(shí)例。

tx_semaphore_put.在計(jì)數(shù)信號(hào)中放置實(shí)例。

tx_mutex_get. 獲得互斥體的所有權(quán)。

tx_mutex_put. 釋放互斥體的所有權(quán)。

tx_event_flags_set. 設(shè)置或清除事件標(biāo)志。

tx_event_flags_get. 提取事件標(biāo)志。

tx_block_allocate. 分配內(nèi)存模塊。

tx_block_release. 釋放內(nèi)存模塊。

tx_byte_allocate. 分配內(nèi)存字節(jié)。

tx_byte_release. 釋放先前分配的內(nèi)存區(qū)域。

對(duì)于如上的每個(gè)系統(tǒng)服務(wù)，必須測(cè)量如下指標(biāo)：

立即響應(yīng)：需要立即處理請(qǐng)求所需的時(shí)間，比如沒有線程暫停或線程恢復(fù)。

線程暫停(TS): 由于資源無效需要暫停線程時(shí)處理請(qǐng)求所需時(shí)間。

線程恢復(fù)(TR): 當(dāng)前一暫停的線程(優(yōu)先級(jí)相同或者較低)恢復(fù)時(shí)處理請(qǐng)求所需時(shí)間。

線程恢復(fù)及環(huán)境切換(TRCS): 當(dāng)前一暫停的高優(yōu)先級(jí)線程恢復(fù)后處理請(qǐng)求所需時(shí)間。由于恢復(fù)的線程優(yōu)先級(jí)高，針對(duì)恢復(fù)線程的環(huán)境切換也將在該請(qǐng)求中完成。

這些功能的時(shí)間示例如下表

所示。參考平臺(tái)使用的是主頻40MHz的ARM9處理器，采用ThreadX RTOS。這些時(shí)間對(duì)大多數(shù)32位處理器可根據(jù)時(shí)鐘速率作線性縮放。