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        怎樣測量嵌入式產(chǎn)品實(shí)時(shí)性能

        2011年12月25日21:49:18 本網(wǎng)站 我要評論(2)字號:T | T | T
        關(guān)鍵字:應用 汽車(chē) 

        開(kāi)發(fā)者在選擇嵌入式產(chǎn)品RTOS時(shí),實(shí)時(shí)性能是較重要的標準之一。嵌入市場(chǎng)研究公司Evans Data和Venture Development(VDC)較新的研究報告稱(chēng),“實(shí)時(shí)性能”是開(kāi)發(fā)者選擇商用實(shí)時(shí)操作系統較重要的因素。但問(wèn)題是,何為實(shí)時(shí)性能,又如何測量呢?

        實(shí)時(shí)性能

          實(shí)時(shí)性能可定義為RTOS(或類(lèi)似軟件)在響應某事件時(shí)執行相關(guān)操作的速度。實(shí)時(shí)意味著(zhù)軟件必須在獨立的第二個(gè)事件發(fā)生前對第一事件作出響應。

          例如,當汽車(chē)引擎進(jìn)氣閥打開(kāi)時(shí),引擎控制軟件必須計算正確的空氣燃料混合比,并在閥門(mén)關(guān)閉之前將其注入到汽缸里,為壓縮沖程作準備。因此及時(shí)完成第一事件的響應是非常關(guān)鍵的,這樣才能滿(mǎn)足第二事件的要求。這個(gè)響應可能包括一系列操作,但較重要的是中斷處理和系統服務(wù)。

        中斷處理

          實(shí)時(shí)系統通常是基于反應機制的,系統需要作出響應的事件通常叫做中斷。處理器一旦識別到中斷,就會(huì )采取相關(guān)措施,執行響應該事件的指令。

          大多數情況下,處理器在遇到中斷之前正在執行一些指令。一旦有中斷產(chǎn)生,這些處理必須暫停,當中斷的關(guān)鍵實(shí)時(shí)響應完成后,再繼續原先的處理。大多數RTOS都為開(kāi)發(fā)者提供了中斷處理和應用程序規劃及執行管理的功能。中斷處理通常包括如下操作:
        暫停當前正在執行的線(xiàn)程;
        保持該線(xiàn)程繼續執行時(shí)需要的有關(guān)數據;
        將控制權交給中斷服務(wù)子程序(ISR);
        在ISR中執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)數據;
        設置所需的與設備相關(guān)的(輸出)值;
        確定當中斷及相關(guān)處理引起環(huán)境變化時(shí)需要執行哪個(gè)線(xiàn)程;
        清除中斷硬件以識別下一個(gè)中斷;
        將控制轉交給選擇的線(xiàn)程,包括提取該線(xiàn)程上次中斷時(shí)保持的環(huán)境數據;
          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(wú)庸置疑的是,在特定RTOS執行這些操作會(huì )造成實(shí)時(shí)性能的顯著(zhù)區別。

        系統服務(wù)

          實(shí)時(shí)操作系統并不僅限于響應中斷。他們還必須規劃并管理應用程序線(xiàn)程的執行。RTOS處理來(lái)自各線(xiàn)程的請求,執行規劃、信息傳遞、資源分配及很多其它服務(wù)。大多數情況下服務(wù)必須迅速執行,這樣線(xiàn)程可以在下一中斷產(chǎn)生時(shí)完成相關(guān)的操作。

          系統服務(wù)盡管不屬于中斷處理,它也一項關(guān)鍵的實(shí)時(shí)響應,系統的成敗關(guān)鍵取決于系統服務(wù)。系統服務(wù)處理包括如下內容:

        規劃未來(lái)事件發(fā)生時(shí)相應的任務(wù)或線(xiàn)程;
        在線(xiàn)程間傳遞消息;
        從通用池內聲明資源;
          系統服務(wù)的實(shí)現雖然比中斷處理更多變,但在改善RTOS實(shí)時(shí)性能方面占據同樣重要的地位。系統服務(wù)和中斷處理一起實(shí)現RTOS要求的重要處理。不同RTOS的功能實(shí)現及架構都有所不同,因而性能各異。

        為何性能如此關(guān)鍵?

          執行這些功能所需的時(shí)間是實(shí)時(shí)系統中較關(guān)鍵的指標,時(shí)間必須確定,而且要求響應速度快,這樣才不致丟失數據,或者導致系統出現基本故障。

          例如,飛行控制系統必須及時(shí)響應導航輸入以避免系統運作停止,磁盤(pán)控制器必須將磁盤(pán)讀寫(xiě)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高速數據包抵達的中斷,這樣避免丟失數據,減少再次操作。

          處理器速度在執行所有RTOS指令方面非常關(guān)鍵,但僅此并不能滿(mǎn)足系統要求,也不能提供較經(jīng)濟有效的方案。

          盡管2GHz處理器的代碼執行速度另人滿(mǎn)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(wèn)題。

        如何測量實(shí)時(shí)性能?

          實(shí)時(shí)性能的測量注重較重要的方面,使用通用硬件平臺嚴格測量各項指標,以比較不同RTOS。

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

        * 環(huán)境切換(CS) : 需要保存當前線(xiàn)程環(huán)境所需的時(shí)間,查找優(yōu)先級較高的線(xiàn)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系統服務(wù)

          o tx_thread_suspend. 暫停應用程序線(xiàn)程。

          o tx_thread_resume. 繼續先前暫停的線(xiàn)程。

          o tx_thread_relinquish. 取消對其它應用程序線(xiàn)程的控制。

          o tx_queue_send . 向消息隊列發(fā)送消息。

          o  tx_queue_receive. 從消息隊列獲取消息。

          o tx_semaphore_get. 從計數信號獲得實(shí)例。

          o tx_semaphore_put. 在計數信號中放置實(shí)例。

          o tx_mutex_get. 獲得互斥體的所有權。

          o tx_mutex_put. 釋放互斥體的所有權。

          o tx_event_flags_set. 設置或清除事件標志。

          o tx_event_flags_get. 提取事件標志。

          o tx_block_allocate. 分配內存模塊。

          o tx_block_release. 釋放內存模塊。

          o tx_byte_allocate. 分配內存字節。

          o tx_byte_release. 釋放先前分配的內存區域。

        對于如上的每個(gè)系統服務(wù),必須測量如下指標:

        o 立即響應:需要立即處理請求所需的時(shí)間,比如沒(méi)有線(xiàn)程暫;蚓(xiàn)程恢復。

        o 線(xiàn)程暫停(TS): 由于資源無(wú)效需要暫停線(xiàn)程時(shí)處理請求所需時(shí)間。

        o 線(xiàn)程恢復(TR): 當前一暫停的線(xiàn)程(優(yōu)先級相同或者較低)恢復時(shí)處理請求所需時(shí)間。

        o 線(xiàn)程恢復及環(huán)境切換(TRCS): 當前一暫停的高優(yōu)先級線(xiàn)程恢復后處理請求所需時(shí)間。由于恢復的線(xiàn)程優(yōu)先級高,針對恢復線(xiàn)程的環(huán)境切換也將在該請求中完成。

          這些功能的時(shí)間示例如下表所示。參考平臺使用的是主頻40MHz的ARM9處理器,采用ThreadX RTOS。這些時(shí)間對大多數32位處理器可根據時(shí)鐘速率作線(xiàn)性縮放。
        (本文轉自電子工程世界:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2011/1222/article_4249.html)

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