雷金奎 ，邵元元 ，田 力

1.西北工業(yè)大學 第365研究所，西安 710065

2.西北工業(yè)大學 電子信息學院，西安 710072

3.西安愛生技術(shù)集團公司，西安 710065

1 引言

實時系統(tǒng)是能夠在指定的時間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和外部或內(nèi)部、同步或異步事件做出響應(yīng)的系統(tǒng)[1]。實時系統(tǒng)中，計算的正確性不僅取決于程序的邏輯正確性，也取決于結(jié)果產(chǎn)生的時間。如果系統(tǒng)的時間約束條件得不到滿足，將會發(fā)生錯誤，造成重大的生命財產(chǎn)損失和生態(tài)破壞。因此，實時系統(tǒng)應(yīng)該具備在事先定義的時間范圍內(nèi)識別和處理離散事件的能力；能夠處理和存儲控制系統(tǒng)所需要的大量數(shù)據(jù)。

提出了一種基于μC/OS-II實時操作系統(tǒng)的代碼執(zhí)行時間測量方法，并使用Microsemi SoftConsole IDE v3.3開發(fā)環(huán)境，在基于Cortex-M3核的SmartFusion主控芯片上實現(xiàn)了相關(guān)的代碼。本文測量了μC/OS-II在SmartFusion平臺下的一些實時性指標，為代碼的實時性提供了一個時間上的參考，為提高系統(tǒng)的實時性提供了保障[2-3]。

2 μC/OS-II多任務(wù)環(huán)境下的時間測量方法

在微機系統(tǒng)中，往往可以處理多個中斷和多個任務(wù)。代碼在執(zhí)行過程中，隨時可能被中斷，然后CPU將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給中斷服務(wù)例程；也可能將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給其他任務(wù)。這些原因，導致在μC/OS-II多任務(wù)環(huán)境下，測到的代碼執(zhí)行時間的不確定性[4]。

2.1 測量代碼執(zhí)行時間的原理

測量一段代碼C的執(zhí)行時間，一種比較直觀的想法是這樣的：先讀取系統(tǒng)時鐘值TS，然后執(zhí)行待測代碼段C，最后再讀取時鐘值TE，得出待測代碼段的執(zhí)行時間TC=TE-TS。將在這個基本想法上進行改進和擴充，使最終得到的時間TC中，去除時間測量函數(shù)自身、中斷和任務(wù)切換的影響。由于執(zhí)行代碼前后各有一次讀取當前時刻值的操作，因此可以把前后兩次時刻讀取過程及相關(guān)的操作封裝為一對時間測量函數(shù)對。然后，可以把函數(shù)對中的兩個函數(shù)分別放到代碼段C之前和之后，執(zhí)行完代碼段C和時間測量函數(shù)對之后就能得出代碼段C的執(zhí)行時間。

考慮到時間測量函數(shù)自身、中斷和任務(wù)切換的影響，待測代碼段C的實際執(zhí)行時間（占有CPU的時間），可以表示如下：

其中，TE為代碼C結(jié)束執(zhí)行的時刻，TS為開始執(zhí)行代碼C的時刻，Tint為代碼C被中斷服務(wù)例程中斷的總時間，Tprof為測量代碼本身引入的測量總偏差。Tenter_exit為進入中斷和退出中斷所需的時間，Toffset_int是執(zhí)行一次中斷時間測量函數(shù)對所需要的時間，Tint_exec為中斷服務(wù)代碼的執(zhí)行時間。Toffset為執(zhí)行一次時間測量代碼對所需的時間；Tin_offset是執(zhí)行時間測量函數(shù)對的過程中，兩次時刻讀取之間的代碼的執(zhí)行時間；Tin_offset_int是執(zhí)行中斷時間測量函數(shù)對的過程中，兩次時刻讀取之間的代碼的執(zhí)行時間。因為兩個函數(shù)對中代碼不完全相同，所以兩次時刻讀取之間的代碼執(zhí)行時間就不同。

為了消除中斷的影響，本文對所有的中斷服務(wù)歷程的執(zhí)行時間進行了測量，以便扣除中斷服務(wù)例程的執(zhí)行時間，得到代碼段的準確執(zhí)行時間。

2.2 ?？臻g與多任務(wù)環(huán)境下的時間測量

在多任務(wù)環(huán)境下，任務(wù)都有自己的棧空間和上下文環(huán)境。當進行任務(wù)切換的時候，把當前任務(wù)的上下文環(huán)境保存到自己的棧空間，然后把下一個任務(wù)的上下文環(huán)境從它的棧空間中恢復(fù)到寄存器中，CPU的控制權(quán)就從一個任務(wù)轉(zhuǎn)移到了另一個任務(wù)。

考慮到測量時間的過程中，可能會發(fā)生任務(wù)切換、中斷等，給每個任務(wù)分配一個時間測量棧。用隨著任務(wù)的切換而切換棧，來處理多任務(wù)下的時間測量問題。如圖1所示，任務(wù)task0、task1、…、task N的時間測量棧分別是task0_stack、task1_stack、…、task N_stack，指針數(shù)組task_stk_top[]保存著未處于運行狀態(tài)的任務(wù)的時間測量棧棧頂，指針cur_stk_top跟蹤著當前運行的那個任務(wù)的時間測量棧棧頂。

當任務(wù)切換的時候，比如從task1切換到task0，把cur_stk_top保存到task_stk_top[1]，然后將task_stk_top[0]賦給cur_stk_top。這樣，當前活躍的就是task0的棧了。

任務(wù)的時間測量棧如圖2所示，它的棧元素是結(jié)構(gòu)體struct cp_time_prof_node_t，定義如下：

圖1 多任務(wù)環(huán)境下的時間測量棧

圖2 每個任務(wù)的?？臻g

其中，成員變量Ts是待測代碼段的開始時刻；Terr是中斷、任務(wù)切換和時間測量代碼引入的時間測量偏差，即式（1）中的Tint+Tprof；pnode是前一個棧元素的指針。

待測量代碼執(zhí)行完畢后，讀取當前時刻Te，并根據(jù)式（1）、式（2）和式（3）算出它的執(zhí)行時間，并把執(zhí)行時間等信息保存到數(shù)組struct cp_cp_time_prof_t cp_time_prof[]，對最終結(jié)果進行保存。它的定義如下所示，其中，成員變量nb_of_states是待測代碼段總共測量的次數(shù)，total_exec_time是總共執(zhí)行時間，max_time、min_time分別是最大執(zhí)行時間和最小執(zhí)行時間。

2.3 函數(shù)及其流程

本文定義了五個函數(shù)，定義及功能：

函數(shù)time_init（）用于初始化與時間測量相關(guān)的數(shù)據(jù)。

這一對函數(shù)，構(gòu)成測量代碼執(zhí)行時間的函數(shù)對，用于測量代碼的執(zhí)行時間。

這一對函數(shù)，構(gòu)成測量中斷服務(wù)代碼執(zhí)行時間的函數(shù)對，用于測量中斷服務(wù)代碼的執(zhí)行時間，并把對被中斷的代碼的執(zhí)行時間上的影響記錄下來，方便被中斷的代碼計算自身的執(zhí)行時間。

μC/OS-II中，每次切換任務(wù)上下文的時候要調(diào)用這個函數(shù)。這個鉤子函數(shù)在任務(wù)切換時，切換任務(wù)所使用的時間測量棧。

測量代碼執(zhí)行時間的流程：

（1）調(diào)用cp_time_init（）進行時間測量相關(guān)代碼初始化；

（2）調(diào)用cp_time_prof_start（cp_time_prof_id_t id）開始測量，參數(shù)id是以后測量結(jié)果在數(shù)組cp_time_prof[]中的存儲位置的索引；

（3）執(zhí)行待測代碼段；

（4）調(diào)用 cp_time_prof_end（cp_time_prof_id_t id）結(jié)束測量；

（5）轉(zhuǎn)步驟（2），開始測量下一段代碼的執(zhí)行時間。

函數(shù)void cp_time_init（）對時間測量相關(guān)數(shù)據(jù)的初始化流程：

（1）初始化系統(tǒng)時鐘；

（2）屏蔽所有中斷；

（3）初始化所有任務(wù)的時間測量棧、棧頂指針task_stk_top[]和當前活躍任務(wù)的棧頂cur_stk_top；

（4）初始化存儲測量結(jié)果的數(shù)組cp_time_prof[]，令其所有成員存儲的最大執(zhí)行時間為0，最小執(zhí)行時間為（unsigned）－1，總執(zhí)行時間為0，統(tǒng)計次數(shù)為0；

（5）計算 Toffset、Tin_offset、Toffset_int和 Tin_offset_int的值；

（6）除屏蔽所有中斷。

函數(shù)void cp_time_prof_start（cp_time_prof_id_t id）的流程：

（1）屏蔽所有中斷；

（2）讀取當前系統(tǒng)時刻；

（3）入棧，用新的棧頂元素的成員變量Ts保存當前時刻，新棧頂元素的成員Terr賦Tin_offset，pnode賦上一個元素的地址形成鏈表，把輸入?yún)?shù)賦給id；

（4）除屏蔽所有中斷。

函數(shù) void cp_time_prof_end（cp_time_prof_id_t id）的流程：

（1）屏蔽所有中斷；

（2）讀取當前系統(tǒng)時刻，記為Te；

（3）設(shè)待測代碼執(zhí)行時間為Tc，則Tc=Te－Ts－Terr，把結(jié)果記錄到cp_time_prof[id]中；

（4）出棧，把原棧頂?shù)奶幚磉^程對新棧頂?shù)挠绊憰r間加到新棧頂?shù)腡err上；即把原棧頂?shù)某蓡T變量Terr加到新棧頂?shù)腡err上，時間測量函數(shù)對執(zhí)行一次引入的偏差Toffset也要加到新棧頂?shù)腡err上；

（5）除屏蔽所有中斷。

void cp_time_prof_start_int（cp_time_prof_id_t id）和void cp_time_prof_start（cp_time_prof_id_t id）函數(shù)的流程很相似，僅僅是給Terr賦的初值不同：

（1）屏蔽所有中斷；

（2）讀取當前系統(tǒng)時刻；

（3）入棧，用新的棧頂元素的成員變量Ts保存當前時刻，新棧頂元素的成員Terr賦Tin_offset_int，pnode賦上一個元素的地址形成鏈表，把輸入?yún)?shù)賦給id；

（4）除屏蔽所有中斷。

函數(shù)void cp_time_prof_end_int（cp_time_prof_id_t id）的流程：

（1）屏蔽所有中斷；

（2）讀取當前系統(tǒng)時刻，記為Te；

（3）設(shè)待測代碼執(zhí)行時間為Tc，則Tc=Te－Ts－Terr，把結(jié)果記錄到cp_time_prof[id]中；

（4）出棧，把中斷處理過程對新棧頂?shù)挠绊憰r間加到新棧頂?shù)腡err上；即把中斷服務(wù)例程的執(zhí)行時間Tc加到新棧頂?shù)腡err上，中斷時間測量函數(shù)對執(zhí)行一次引入的偏差Toffset_int和進入退出中斷所需的時間Tenter_exit也要加到新棧頂?shù)腡err上；

（5）除屏蔽所有中斷。

函 數(shù) void cp_time_prof_CtxSw_hook（uint32_t cur，uint32_t next）是μC/OS-II的任務(wù)切換函數(shù)void OS_TASK_SW（）調(diào)用的鉤子函數(shù)，它完成的操作就是當任務(wù)切換的時候，比如從task1切換到task0，把cur_stk_top保存到task_stk_top[1]，然后將 task_stk_top[0]賦給 cur_stk_top。這樣，當前活躍的就是task0的棧了。

另外，在系統(tǒng)時鐘中斷服務(wù)例程中，需要維護系統(tǒng)時間供時間測量函數(shù)使用。

3 μC/OS-II多任務(wù)環(huán)境下實時時間參數(shù)的測量實例

使用SoftConsole IDE v3.3集成開發(fā)環(huán)境，使Smart-Fusion主控芯片工作在100 MHz，片內(nèi)RAM 20 kB，對代碼最大優(yōu)化條件下，測量了μC/OS-II的任務(wù)切換時間、搶占時間和信號洗牌時間[5-6]。

（1）上下文切換時間（任務(wù)切換時間）[7]：μC/OS-II會調(diào)用OS_TASK_SW（）進行實際的上下文切換。OS_TASK_SW（）是宏調(diào)用，含有微處理器的軟中斷指令，利用此中斷來實現(xiàn)任務(wù)之間的上下文切換。在移植μC/OS-II的時候，使用了PendSV軟中斷來實現(xiàn)任務(wù)切換，因此任務(wù)切換時間其實就是PendSV中斷服務(wù)例程的執(zhí)行時間。在中斷服務(wù)函數(shù)代碼調(diào)用void cp_time_prof_start_int（）之后，緊接著調(diào)用void cp_time_prof_start（），在調(diào)用void cp_time_prof_CtxSw_hook（）之前，調(diào)用 void cp_time_prof_end（），得出PendSV中斷前半部分的執(zhí)行時間t1。在調(diào)用void cp_time_prof_CtxSw_hook（）之后，緊接著調(diào)用void cp_time_prof_start（），并在中斷服務(wù)函數(shù)代碼調(diào)用void cp_time_prof_end_int（）之前，調(diào)用void cp_time_prof_end（），得到PendSV中斷后半部分的執(zhí)行時間t2。最后算出任務(wù)切換時間t1加t2再加上進入和退出中斷的時間得到總時間0.75μs。

（2）搶占時間[8]：搶占時間即系統(tǒng)將控制權(quán)從低優(yōu)先級的任務(wù)轉(zhuǎn)移到高優(yōu)先級任務(wù)所花費的時間。在μC/OS-II中，調(diào)用函數(shù)void OS_Sched（）來尋找當前就緒的最高優(yōu)先級任務(wù)，并移交CPU控制權(quán)給這個任務(wù)。因此，只需測量函數(shù)void OS_Sched（）的執(zhí)行時間，再加上上下文切換時間就是搶占時間。在void OS_Sched（）的開始和結(jié)束處，分別調(diào)用void cp_time_prof_start（）和void cp_time_prof_end（），得到void OS_Sched（）的執(zhí)行時間0.91μs，加上任務(wù)切換時間得到搶占時間1.66μs。

（3）信號洗牌時間：指從一個任務(wù)釋放信號量到另一個等待該信號的任務(wù)被激活的時間延遲。μC/OS-II是通過INT8U OSMutexPost（）來釋放信號量的。在 INT8U OSMutexPost（）的開始和結(jié)束處，分別調(diào)用void cp_time_prof_start（）和 void cp_time_prof_end（）。編寫兩個任務(wù)，高優(yōu)先級的那個任務(wù)等待低優(yōu)先級任務(wù)釋放信號量。INT8U OSMutexPost（）的執(zhí)行時間是2.38μs，加上任務(wù)切換時間，得出信號洗牌時間是3.13μs。

4 結(jié)束語

提出了一種基于μC/OS-II實時操作系統(tǒng)的代碼執(zhí)行時間測量方法，并用它測量了μC/OS-II實時操作系統(tǒng)在SmartFusion+SoftConsole平臺上的一些時間指標。用這個方法，可以比較準確地測量代碼執(zhí)行的時間，在代碼優(yōu)化階段可以用它來評估代碼優(yōu)化的實際效果，具有很強的實用意義。

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