MIPS平臺(tái)上運(yùn)動(dòng)控制器的調(diào)度抖動(dòng)的測試方法設(shè)計(jì)詳解

?摘要：

將MIPS體系結(jié)構(gòu)的處理器應(yīng)用在數(shù)控系統(tǒng)上，可以降低系統(tǒng)的成本，增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)的國產(chǎn)化水平．但不同的硬件結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的調(diào)度抖動(dòng)產(chǎn)生不同的影響，而運(yùn)動(dòng)控制器的調(diào)度抖動(dòng)是數(shù)控系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)之一．本文討論了MIPS平臺(tái)上運(yùn)動(dòng)控制器的調(diào)度抖動(dòng)的測試方法，分析產(chǎn)生抖動(dòng)的原因，并針對(duì)這些原因?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化．最終測試結(jié)果表明，在MIPS平臺(tái)下，RTAI的調(diào)度抖動(dòng)能夠滿足數(shù)控系統(tǒng)的需要．

1 前言

目前，國內(nèi)外的數(shù)控系統(tǒng)大多采用X86體系結(jié)構(gòu)的CPU，主要是因?yàn)閄86體系結(jié)構(gòu)上擁有豐富的應(yīng)用軟件，開

發(fā)環(huán)境和技術(shù)積累，可以在一定程度上縮短數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)周期．但X86體系結(jié)構(gòu)也有其自身的缺點(diǎn)，比如其指令集體系結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，成本高．而且X86技術(shù)一直被國外的幾家大公司所壟斷，將其應(yīng)用在數(shù)控系統(tǒng)這樣的戰(zhàn)略資源上，存在一定的安全隱患．

M1PS體系結(jié)構(gòu)具有靈活開放，成本低的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體娛樂等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用．我國已經(jīng)研制出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的MIPS通用CPU．因此將MIPS結(jié)構(gòu)的CPU應(yīng)用在數(shù)控系統(tǒng)上，不僅可以降低數(shù)控系統(tǒng)的成本，還增加了數(shù)控系統(tǒng)特別是高檔數(shù)控系統(tǒng)國產(chǎn)化的水平．

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的軟件基礎(chǔ)，數(shù)控軟件中的運(yùn)動(dòng)控制器部分需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行周期性的調(diào)度，對(duì)

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的性能要求很苛刻．一般來說，應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要具有高實(shí)時(shí)性，時(shí)間確定性以及高可靠性，安全性和容錯(cuò)性?．

在硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，主要是依靠時(shí)鐘硬件產(chǎn)生的中斷對(duì)周期進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度．雖然時(shí)鐘可以精確的給出定時(shí)中斷，但硬件和操作系統(tǒng)的運(yùn)作方式會(huì)對(duì)中斷響應(yīng)和進(jìn)程調(diào)度產(chǎn)生影響，從而使周期進(jìn)程每次開始執(zhí)行的時(shí)間變的不確定，這就是調(diào)度抖動(dòng)．調(diào)度抖動(dòng)直接影響到數(shù)控加工的精度，如果數(shù)控系統(tǒng)的加工速度為10米／分鐘，那么5O微秒的抖動(dòng)就可能產(chǎn)生約8．3微米的隨動(dòng)誤差．針對(duì)特定的體系結(jié)構(gòu)研究與分析運(yùn)動(dòng)控制器的調(diào)度抖動(dòng)，對(duì)掌握并改善數(shù)控系統(tǒng)的性能具有重要的意義．

RTAI（Real Time ApplicaTIon Interface）是由意大利米蘭理工學(xué)院航天工程系發(fā)起開發(fā)的一個(gè)遵循GNU GPL的開源項(xiàng)目，RTAI已經(jīng)支持i386，MIPS，PowerPC，ARM 和M68k-~ommu等處理器，是目前支持處理器最多的linux實(shí)時(shí)解決方案之一．RTAI具有豐富的功能和良好的硬實(shí)時(shí)性能．本文針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器，討論了在MIPS平臺(tái)上RTAI操作系統(tǒng)的調(diào)度抖動(dòng)測試，并分析了產(chǎn)生調(diào)度抖動(dòng)的原因．

2 抖動(dòng)測試

2．1 抖動(dòng)測試方法

在本文中，用于測試的硬件平臺(tái)是龍芯2E處理器，主頻為664．32MHz．該處理器擁有64KB的一級(jí)緩存和512KB的二級(jí)緩存．系統(tǒng)內(nèi)存為256M．

本文在抖動(dòng)測試中采用了內(nèi)部軟件測試技術(shù)：記錄運(yùn)動(dòng)控制器的第一條指令每次執(zhí)行的時(shí)間戳，并存儲(chǔ)在共享內(nèi)存中，在測試完畢后，再讀取共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)以供分析 】．時(shí)間戳從CPU內(nèi)部的高精度計(jì)時(shí)器獲取，它是一個(gè)32位的寄存器（cp0L9 ），每個(gè)指令周期自動(dòng)加1，類似于penTIum系列CPU上的TSC（TIme Stamp Count） ．可以使用MFC0指令讀出該計(jì)時(shí)器的值．但32位的計(jì)時(shí)器在664．32MHz的主頻下，每隔6．47秒就會(huì)發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，因此需要對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行溢出處理．本文處理方法是維護(hù)一個(gè)64位的虛擬計(jì)時(shí)器：

union{

unsigned long long tsc；

unsigned long hltsc［2］；

}tsc；

該結(jié)構(gòu)將一個(gè)64位的長整型變量分成了兩個(gè)32位的長整型變量，低32位用來獲取計(jì)時(shí)器的值，高32位在計(jì)時(shí)器溢

出時(shí)加1，這樣就得到了一個(gè)虛擬的64位的高精度計(jì)時(shí)器．在664．32MHz的主頻下，64位的計(jì)時(shí)器需要880年的時(shí)間才會(huì)發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)．可以采用下面的函數(shù)讀取虛擬計(jì)時(shí)器csc的值：

inline unsigned long long rdtsc（void）

{

unsigned long count；

一

asm

一 volaTIle一（”mfcO／t％0， $9／n／t“ ：”=f”

（count））；

tsc．hltsc［1］+=（count tSC．~tscf0］=count；

return tsc．tsc；

}

在MIPS中，CP0協(xié)處理器中的11號(hào)寄存器可以作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘使用．11號(hào)寄存器又稱為compare寄存器，它用來在

特定的時(shí)刻產(chǎn)生一個(gè)中斷，該寄存器被寫入一個(gè)初值后，便不斷的將此值與計(jì)時(shí)器中的值進(jìn)行比較，一但二者相等，便觸發(fā)63號(hào)中斷 3．因此MIPS CPU的定時(shí)精度可以達(dá)到納秒級(jí)．

2．2 數(shù)據(jù)分析

通過上述方法獲得的時(shí)間序列是一個(gè)遞增數(shù)列，相鄰兩個(gè)元素之問的差值即是運(yùn)動(dòng)控制器的實(shí)際周期．為了盡可能

的減小測試誤差的影響，本文采用最小二乘法對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行擬合，得到時(shí)間序列的一條最佳逼進(jìn)線，使用這條最佳逼進(jìn)線來計(jì)算各周期的名義值 J．時(shí)問序列中的每一個(gè)元素與最佳逼進(jìn)線之間的差值就是各個(gè)周期的調(diào)度抖動(dòng)．

圖1是在正常負(fù)載下，前100個(gè)測試點(diǎn)與最佳逼進(jìn)線的偏離值．剛開始的幾個(gè)點(diǎn)反映了較大的抖動(dòng)，其中最大的抖動(dòng)達(dá)到了228微秒．這個(gè)現(xiàn)象是正常的，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制器在剛開始運(yùn)行的時(shí)候沒有將指令和數(shù)據(jù)加載到cache中，相應(yīng)的頁表也沒加載到TLB（Translation l_x~okaside Buffer）中，因此會(huì)不斷發(fā)生cache失效異常和TLB重填異常，這加重了系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，并延遲了運(yùn)動(dòng)控制器的執(zhí)行．從第40組數(shù)據(jù)以后，抖動(dòng)趨于平穩(wěn)．在后面的測試中，均將前100組數(shù)據(jù)舍棄，從而可以更好的統(tǒng)計(jì)一般情況．

RTAI提供了兩種調(diào)度模式，分別是單觸發(fā)模式（oneshotmode）和周期模式（periodic mode） ．在單觸發(fā)模式下，在每次執(zhí)行調(diào)度函數(shù)時(shí)，系統(tǒng)都需要根據(jù)當(dāng)前的情況重新計(jì)算下次觸發(fā)定時(shí)中斷的時(shí)間，并對(duì)定時(shí)器進(jìn)行編程．而周期模式只在時(shí)鐘初始化的時(shí)候?qū)Χ〞r(shí)器進(jìn)行編程，以后便始終依賴這個(gè)固定的時(shí)鐘周期進(jìn)行調(diào)度．單觸發(fā)模式下，系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)較重，會(huì)在一定程度上影響系統(tǒng)的性能．本文分別在單觸發(fā)模式和周期模式下測試了運(yùn)動(dòng)周期的抖動(dòng)．

在單觸發(fā)模式下，調(diào)度中加入了補(bǔ)償，如果上一次的調(diào)度被延遲了，那么下次便會(huì)提前調(diào)度，以消除調(diào)度抖動(dòng)的累積．比如上次的實(shí)際周期為2010微秒，那么下次的實(shí)際周期就應(yīng)該是1990微秒．圖2是在10000組測試樣例中抽取的100組數(shù)據(jù)，從中可以看出，所有的測試點(diǎn)均以標(biāo)準(zhǔn)值為中心對(duì)稱分布，反映了上面描述的調(diào)度方法．單觸發(fā)模式下最大抖動(dòng)為23．476微秒，平均抖動(dòng)為414納秒．

周期模式下的調(diào)度沒有補(bǔ)償，實(shí)時(shí)進(jìn)程不會(huì)提前執(zhí)行，因此調(diào)度抖動(dòng)會(huì)在每次調(diào)度的時(shí)間戳上累積．由于硬件定時(shí)器的定時(shí)周期在運(yùn)動(dòng)控制器的執(zhí)行期間是固定的，抖動(dòng)的下限是0．圖3（見下頁）是從10000組樣例中抽取的100組數(shù)據(jù)．在所測的10000組數(shù)據(jù)中，所有元素均為正值，抖動(dòng)的最大值為73．8微秒，平均抖動(dòng)為3．298微秒．周期模式下的平均抖動(dòng)時(shí)間是單觸發(fā)模式下的8倍．單觸發(fā)模式的調(diào)度雖然較精確，但需要耗費(fèi)大量的cpu時(shí)間，加重了系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，在硬件性能較差的環(huán)境下，其性能可能會(huì)低于周期模式．因此，在選用調(diào)度模式時(shí)，需要針對(duì)特定的硬件平臺(tái)和軟件環(huán)境進(jìn)行抖動(dòng)測試 ．

3 抖動(dòng)產(chǎn)生的原因分析

RTAI采用了2種調(diào)度算法，分別為單調(diào)速率算法和最早時(shí)限優(yōu)先算法．本文采用的是單調(diào)速率算法，因?yàn)樵撍惴ɑ?/p>

靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，能夠保證最高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的穩(wěn)定調(diào)度-6j．調(diào)度程序每次選擇的進(jìn)程總是優(yōu)先級(jí)最高的進(jìn)程，在同等優(yōu)先級(jí)的各進(jìn)程之間則采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方法進(jìn)行調(diào)度．在數(shù)控系統(tǒng)的所有進(jìn)程中，運(yùn)動(dòng)控制器的優(yōu)先級(jí)最高，因此，我們只需要研究高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程產(chǎn)生抖動(dòng)的原因即可．根據(jù)RTAI的調(diào)度機(jī)制，運(yùn)動(dòng)控制器可以搶占其他進(jìn)程，并且不會(huì)被其它任何進(jìn)程搶占，因此沒有進(jìn)程可以延遲運(yùn)動(dòng)控制器的執(zhí)行．但是存在其它因素可以延緩它的執(zhí)行，比如總線上鎖，關(guān)中斷，中斷嵌套，資源競爭，cache失效，以及操作系統(tǒng)中存在不可搶占的關(guān)鍵區(qū)域等．在設(shè)計(jì)良好的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，不可搶占的臨界區(qū)很少，且運(yùn)動(dòng)控制器幾乎不需要內(nèi)存以外的其他資源，能夠?qū)\(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)生影響的主要因素只有關(guān)中斷，中斷嵌套和cache失效．

前面已經(jīng)介紹過了cache失效會(huì)在運(yùn)動(dòng)控制器剛加載時(shí)對(duì)調(diào)度抖動(dòng)產(chǎn)生影響，實(shí)際上在運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)行過程中，其他的非實(shí)時(shí)進(jìn)程，如圖形顯示，網(wǎng)絡(luò)訪問，磁盤讀寫等都會(huì)影響cache，從而間接的影響運(yùn)動(dòng)控制器．為了降低cache失效對(duì)調(diào)度抖動(dòng)的影響，可以盡量減少除數(shù)控軟件以外的其它程序的運(yùn)行．比如使用TinyX代替具有圖形加速功能的XServer前面已經(jīng)介紹過了cache失效會(huì)在運(yùn)動(dòng)控制器剛加載時(shí)對(duì)調(diào)度抖動(dòng)產(chǎn)生影響，實(shí)際上在運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)行過程中，其他的非實(shí)時(shí)進(jìn)程，如圖形顯示，網(wǎng)絡(luò)訪問，磁盤讀寫等都會(huì)影響cache，從而間接的影響運(yùn)動(dòng)控制器．為了降低cache失效對(duì)調(diào)度抖動(dòng)的影響，可以盡量減少除數(shù)控軟件以外的其它程序的運(yùn)行．比如使用TinyX代替具有圖形加速功能的XServer

RTAI的進(jìn)程調(diào)度是由硬件時(shí)鐘的定時(shí)中斷驅(qū)動(dòng)的．圖4簡略地說明了從時(shí)鐘給出中斷，到運(yùn)動(dòng)控制器開始執(zhí)行的過

程．這個(gè)過程包括，系統(tǒng)關(guān)中斷的時(shí)間，中斷準(zhǔn)備時(shí)間和中斷處理時(shí)間．在關(guān)中斷的時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)不能對(duì)其他任何優(yōu)先級(jí)的中斷進(jìn)行響應(yīng)，所以時(shí)鐘中斷必須等待，直到系統(tǒng)開中斷．中斷準(zhǔn)備階段是指，從CPU開始響應(yīng)時(shí)鐘中斷到進(jìn)入時(shí)鐘中斷的處理程序所需要的時(shí)間，中斷處理階段是指執(zhí)行中斷處理程序rt—timer—handler（），即調(diào)度程序所需要的時(shí)間 J．中斷準(zhǔn)備時(shí)問和中斷處理時(shí)間在特定的系統(tǒng)上是固定的，只有幾微秒的時(shí)間，而且在我們的測試方法中不會(huì)對(duì)測試結(jié)果產(chǎn)生影響．單從時(shí)鐘中斷處理的過程來看，調(diào)度延遲主要取決于系統(tǒng)的最大關(guān)中斷時(shí)問 J．在本文的測試平臺(tái)上最大關(guān)中斷時(shí)間為13．24微秒．

現(xiàn)代操作系統(tǒng)均允許中斷嵌套，以便及時(shí)響應(yīng)緊急的中斷．那么在中斷準(zhǔn)備和中斷處理階段，時(shí)鐘中斷的處理有可能被其他的中斷搶占，這也會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的抖動(dòng)產(chǎn)生影響．為了降低這種影響，應(yīng)該盡可能的減少系統(tǒng)中的中斷數(shù)量，這樣不僅可以降低時(shí)鐘中斷被搶占的可能性，也可以降低系統(tǒng)的負(fù)載．在數(shù)控系統(tǒng)中，由于不需要大批量的讀寫磁盤數(shù)據(jù)，不需要電源管理，可以將DMA，APM 和ACPI禁用．這些設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的中斷，并頻繁的對(duì)總線上鎖．如果該數(shù)控系統(tǒng)無需網(wǎng)絡(luò)通信，也可以將網(wǎng)絡(luò)禁用．

在禁用了上述設(shè)備后，本文在單觸發(fā)模式下，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的調(diào)度抖動(dòng)進(jìn)行了重新測試．最大抖動(dòng)為8．02微秒，平均抖動(dòng)為392納秒．最大抖動(dòng)接近沒禁用設(shè)備以前的1／4．圖5是10000組測試樣列的散點(diǎn)圖．從圖上可以看出大部分的測試點(diǎn)都分布在微秒內(nèi)，這樣的抖動(dòng)在數(shù)控系統(tǒng)中是可以接受的．當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)以10米／分的速度加工的時(shí)候，8微秒的抖動(dòng)最多能產(chǎn)生1．3微米的隨動(dòng)誤差．

4 總結(jié)

對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言，調(diào)度抖動(dòng)是不可避免的．調(diào)度抖動(dòng)的大小與硬件體系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)的運(yùn)作方式密切相關(guān)．在數(shù)控系統(tǒng)中，大的調(diào)度抖動(dòng)會(huì)對(duì)加工精度產(chǎn)生影響．本文針對(duì)M1PS平臺(tái)，在不同的調(diào)度模式下測試了運(yùn)動(dòng)控制器的調(diào)度抖動(dòng)，并采用最小二乘法對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析．實(shí)驗(yàn)表明，在該數(shù)控系統(tǒng)中，周期模式下的平均抖動(dòng)是單觸發(fā)模式的8倍多．在數(shù)控系統(tǒng)中，可能引起抖動(dòng)的因素有cache失效，系統(tǒng)關(guān)中斷以及中斷嵌套等，本文針對(duì)這些因素對(duì)系統(tǒng)做了優(yōu)化，禁用了DMA，APM，ACPI等與數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行關(guān)系甚微的設(shè)備，并將具有圖形加速功能的X Server替換成了對(duì)資源占用很小的Tiny X．結(jié)果在單觸發(fā)模式下，最大抖動(dòng)可以縮短到原來的四分之一，平均抖動(dòng)也有所改善．測試結(jié)果證實(shí)，在MIPS平臺(tái)下，RTAI完全能夠滿足數(shù)控系統(tǒng)的需要．