引言

嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS,Real Time Operating System）為嵌入式應(yīng)用的開發(fā)者提供了系統(tǒng)級的支撐環(huán)境，極大地簡化了嵌入式軟件系統(tǒng)的設(shè)計過程，成為操作系統(tǒng)中一個非常重要的分支。隨著RTOS在嵌入式系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，RTOS的選擇與評價成為了一個重要的問題。一個RTOS的評價要從很多角度進行，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，實時性是RTOS評價的最重要的指標之一，實時性的優(yōu)劣是用戶選擇操作系統(tǒng)的一個重要參考。評價一個操作系統(tǒng)的實時性應(yīng)該著重考察它的哪些指標，以及如何進行測試，是本文著重討論的問題。

1、操作系統(tǒng)實時性的主要指標

嚴格地說，影響嵌入式操作系統(tǒng)實時性的因素有很多。限于篇幅，本文只列出影響操作系統(tǒng)實時性的6個主要因素。

（1）常用系統(tǒng)調(diào)用平均運行時間

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)用所需的平均時間。可以參考POSIX標準，按照進程、線程、同步原語（信號量和互斥體等）、文件、內(nèi)存、中斷處理、時鐘、時間分類，選取部分常用的系統(tǒng)調(diào)用進行測試，如建立刪除進程與線程、建立刪除文件、讀寫文件、設(shè)置得到優(yōu)先級、創(chuàng)建釋放信號量、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)切換時間

任務(wù)切換時間是指事件引發(fā)切換后，從當前任務(wù)停止運行、保存運行狀態(tài)（CPU寄存器內(nèi)容），到裝入下一個將要運行的任務(wù)狀態(tài)、開始運行的時間間隔，如圖1所示。

圖1 任務(wù)切換時間
需要注意的是，要使任務(wù)進行切換，需要一定的事件觸發(fā)。通常，這個事件是同步原語，使任務(wù)切換，并且過程可被監(jiān)控。但是，同步原語的操作會帶來一定的系統(tǒng)開銷，而且不同操作系統(tǒng)的各種同步原語操作效率不同。因此，對被測操作系統(tǒng)使用其支持的各種同步原語進行任務(wù)切換測試，選取各自用時最少者——這里稱為“最佳原語”，作為測量值，以使誤差最小。經(jīng)過對Mutex、Semaphore、Critical Section、SVR5 Semaphore、POSIX Semaphore、pthread_mutex的測試之后，測得WinCE的最佳原語為Critical Section，而Linux的最佳原語為 pthread_mutex。

（3）線程切換時間

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，所以線程切換時間同樣是考察的一個要點。測試方法及原理與任務(wù)切換類似，不再介紹。

（4）任務(wù)搶占時間

任務(wù)搶占時間是高優(yōu)先級的任務(wù)從正在運行的低優(yōu)先級任務(wù)中獲得系統(tǒng)控制權(quán)所消耗的時間，如圖2所示。

圖2 任務(wù)搶占時間
（5）信號量混洗時間

信號量混洗時間指從一個任務(wù)釋放信號量到另一個等待該信號量的任務(wù)被激活的時間延遲，如圖3所示。

圖3 信號量混洗時間
在嵌入式系統(tǒng)中，通常有許多任務(wù)同時競爭某一共享資源，基于信號量的互斥訪問保證了任一時刻只有一個任務(wù)能夠訪問公共資源。信號量混洗時間反映了與互斥有關(guān)的時間開銷，是RTOS實時性的一個重要指標。

（6）中斷響應(yīng)時間

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

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

2、比對平臺及測試方法

2.1 比對測試平臺介紹

為了更好地對嵌入式系統(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）進行評測，我們設(shè)計并實現(xiàn)了雙嵌入式系統(tǒng)比對實驗平臺。實驗平臺以2塊研華PCM7230開發(fā)板（基于PXA255處理器）和1個CPLD器件為核心，開發(fā)板上運行被測操作系統(tǒng)，保證了測試環(huán)境的完全相同；CPLD器件負責(zé)產(chǎn)生中斷負載、雙系統(tǒng)的同步置位復(fù)位觸發(fā)與計時功能，保證了測試結(jié)果的精確，并且易于比對、觀察，突出評測過程比對的特點。圖4是比對測試平臺的邏輯結(jié)構(gòu)。

圖4 比對測試平臺的邏輯結(jié)構(gòu)
下面列出的是比對平臺中主要的硬件型號與種類。

◇ CPU：XScale （400 Hz）。
◇ 時鐘：HT1381。
◇ ROM：1 MB AMD。
◇ SDRAM：64 MB。
◇ Flash：32 MB。
◇ IO資源： 包含RS232（COM1～4），RS485（COM5），2個USB Host和1個USB Client，Ethernet DM9000.10100 basedT，以及AMI120擴展總線接口。

2.2 測試與計時方法

在測試過程中，采用當前比較流行的基準測試程序法（benchmark）對上述實時性指標進行評測。針對每一指標，編寫相應(yīng)的測試程序。在測試過程中，一個最基本原則是盡可能地減小測量誤差，采用多種策略減小其他因素對測試的影響，例如關(guān)閉內(nèi)核中部分不需要的進程，以縮短內(nèi)核占用CPU時間；禁用數(shù)據(jù)Cache和指令Cache，以避免高速緩存對RTOS相應(yīng)指標的影響；對同一指標進行高頻度重復(fù)測試，統(tǒng)計其最大值、最小值和平均值等，得到盡可能客觀的結(jié)果。

與通常的基準測試方法相比較，本測試方法的特點是采用CPLD器件與測試程序相結(jié)合的方法，利用CPLD與開發(fā)板上豐富的引腳資源，通過CPLD進行編程，可方便地對被測試系統(tǒng)產(chǎn)生中斷負載、同步觸發(fā)，而且不會增加被測系統(tǒng)的額外負載。同時，減少系統(tǒng)調(diào)用的次數(shù)，使測試結(jié)果更加精確，更接近內(nèi)核自身的運行值。

另外，測試過程的計時功能通過CPLD編程實現(xiàn)，與傳統(tǒng)的利用RTOS內(nèi)核的時間系統(tǒng)調(diào)用計時方式相比，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)一的問題。由于比對平臺中的CPLD器件選用的是Xilinx公司的XC9500系列，其最高系統(tǒng)時鐘頻率為100 MHz，引腳到引腳的最大時延為10 ns，因此實現(xiàn)的計數(shù)器計時精度可以達到數(shù)十ns，幾乎可以忽略不計，極大提高了計時精度，如圖5所示。