μCOS-II軟件定時(shí)器的分析與測(cè)試

引 言
??? μC／OS-II操作系統(tǒng)是建立在微內(nèi)核基礎(chǔ)上的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，搶占式多任務(wù)、微內(nèi)核、移植性好等特點(diǎn)，使其在諸多領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用。
??? 在μC／OS-II 2．83及其以后的版本中，一個(gè)較大的變化就是增加了對(duì)軟件定時(shí)器的支持。這使得μC／OS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的功能更加完善，在其上的應(yīng)用程序開發(fā)與移植也更加方便。在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中一個(gè)好的軟件定時(shí)器實(shí)現(xiàn)要求有較高的精度、較小的處理器開銷，且占用較少的存儲(chǔ)器資源。本文在對(duì)μC／OS-II定時(shí)器算法分析的基礎(chǔ)上，對(duì)定時(shí)精度和處理器占用情況進(jìn)行了分析與測(cè)試，其結(jié)果在實(shí)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用中具有借鑒意義。

1 定時(shí)器實(shí)現(xiàn)架構(gòu)
??? 在μC／OS-II操作系統(tǒng)內(nèi)部，任務(wù)的延時(shí)功能及軟件定時(shí)器功能，都需要底層有一個(gè)硬件的計(jì)數(shù)器支持。硬件計(jì)數(shù)器以固定的頻率遞減，計(jì)數(shù)到0時(shí)，觸發(fā)時(shí)鐘中斷。這個(gè)特定的周期性的中斷稱為“時(shí)鐘節(jié)拍”。每當(dāng)有時(shí)鐘節(jié)拍到來時(shí)，系統(tǒng)在保存現(xiàn)場(chǎng)和中斷嵌套計(jì)數(shù)加1后都會(huì)跳到時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)OSTimTick()中，進(jìn)行軟件計(jì)數(shù)器加1和遍歷任務(wù)控制塊，以判斷任務(wù)延時(shí)是否到時(shí)。
??? μC／OS-II中并未在 OSTim Tick()中進(jìn)行定時(shí)器到時(shí)判斷與處理，而是創(chuàng)建了一個(gè)高于應(yīng)用程序中所有其他任務(wù)優(yōu)先級(jí)的定時(shí)器管理任務(wù)OSTmr_Task()，在這個(gè)任務(wù)中進(jìn)行定時(shí)器的到時(shí)判斷和處理。時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)通過信號(hào)量給這個(gè)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)發(fā)信號(hào)。這種方法縮短了中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時(shí)間，但也使得定時(shí)器到時(shí)處理函數(shù)的響應(yīng)受到中斷退出時(shí)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)和任務(wù)切換的影響。軟件定時(shí)器功能實(shí)現(xiàn)代碼存放在tmr．c文件中，移植時(shí)需只需在os_cfg．h文件中使能定時(shí)器和設(shè)定定時(shí)器的相關(guān)參數(shù)。

2 μC／OS-II的軟件定時(shí)器算法分析
??? μC／OS-II中軟件定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)方法是，將定時(shí)器按定時(shí)時(shí)間分組，使得每次時(shí)鐘節(jié)拍到來時(shí)只對(duì)部分定時(shí)器進(jìn)行比較操作，縮短了每次處理的時(shí)間。但這就需要?jiǎng)討B(tài)地維護(hù)一個(gè)定時(shí)器組。定時(shí)器組的維護(hù)只是在每次定時(shí)器到時(shí)時(shí)才發(fā)生，而且定時(shí)器從組中移除和再插入操作不需要排序。這是一種比較高效的算法，減少了維護(hù)所需的操作時(shí)間。
2．1 定時(shí)器管理所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
??? 一旦定時(shí)器被建立，一個(gè)定時(shí)器控制塊(OS_TMR)就被賦值了。定時(shí)器控制塊是定時(shí)器管理的基本單元，包含定時(shí)器的名稱、定時(shí)時(shí)間、在鏈表中的位置、使用狀態(tài)、使用方式，以及到時(shí)回調(diào)函數(shù)及其參數(shù)等基本信息。
??? 在μC／OS-II軟件定時(shí)器中實(shí)現(xiàn)了3類鏈表的維護(hù)：

????
??? OSTmrTbl[OS_TMR_CFG_MAX]：以數(shù)組的形式靜態(tài)分配定時(shí)器控制塊所需的RAM空間，并存儲(chǔ)所有已建立的定時(shí)器控制塊。
??? OSTmrFreeLiSt：為空閑定時(shí)器控制塊鏈表頭指針?？臻e態(tài)的定時(shí)器控制塊(OS_TMR)中，OSTmrnext和OSTmrPrev兩個(gè)指針分別指向空閑控制塊的前一個(gè)和后一個(gè)，組織了空閑控制塊雙向鏈表。建立定時(shí)器時(shí)，從這個(gè)鏈表中搜索空閑定時(shí)器控制塊。
??? OSTmrWheelTbl[OS_TMR_CFG_WHEEL_SIZE]：該數(shù)組的每個(gè)元素都是已開啟定時(shí)器的一個(gè)分組，元素中記錄了指向該分組中第一個(gè)定時(shí)器控制塊的指針，以及定時(shí)器控制塊的個(gè)數(shù)。運(yùn)行態(tài)的定時(shí)器控制塊(OS_TMR)中，OSTmrnext和OSTmrPrev兩個(gè)指針同樣也組織了所在分組中定時(shí)器控制塊的雙向鏈表。定時(shí)器管理所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2．2 軟件定時(shí)器實(shí)現(xiàn)原理
??? 宏OS_TMR_CFG_WHEEL_SIZE定義了OSTmr-WheelTbl[]數(shù)組的大小，同時(shí)這個(gè)值也是定時(shí)器分組的依據(jù)。按照定時(shí)器到時(shí)值與OS_TMR_CFG_WHEEL_SIZE相除的余數(shù)進(jìn)行分組：不同余數(shù)的定時(shí)器放在不同分組中；相同余數(shù)的定時(shí)器處在同一組中，由雙向鏈表連接。這樣，余數(shù)值為0～OS_TMR_CFG_WHEEL_SIZE-1的不同定時(shí)器控制塊，正好分別對(duì)應(yīng)了數(shù)組元素OSTmr-WheelTbl[0]～OSTmrWheelTbl[OS_TMR_CFGWHEEL_SIZE-1]的不同分組。每次時(shí)鐘節(jié)拍到來時(shí)，時(shí)鐘數(shù)OSTmrTime值加1，然后也進(jìn)行求余操作，只有余數(shù)相同的那組定時(shí)器才有可能到時(shí)，所以只對(duì)該組定時(shí)器進(jìn)行判斷。這種方法比循環(huán)判斷所有定時(shí)器更高效。隨著時(shí)鐘數(shù)的累加，處理的分組也由0～OS_TMR_CFG_WHE EL_SIZE-1循環(huán)。
??? 信號(hào)量喚醒定時(shí)器管理任務(wù)，計(jì)算出當(dāng)前所要處理的分組后，程序遍歷該分組中的所有控制塊，將當(dāng)前OSTmr-Time值與定時(shí)器控制塊中的到時(shí)值相比較。若相等(即到時(shí))，則調(diào)用該定時(shí)器到時(shí)回調(diào)函數(shù)；若不相等，則判斷該組中下一個(gè)定時(shí)器控制塊。如此操作，直到該分組鏈表的結(jié)尾。定時(shí)器管理任務(wù)的流程如圖2所示。OS_TMR_CFG_WHEEL_SIZE的取值推薦為2的N次方，以便采用移位操作計(jì)算余數(shù)，縮短處理時(shí)間。

2．3 定時(shí)器移除和插入操作
??? 定時(shí)器的到時(shí)處理函數(shù)返回后，都要進(jìn)行該定時(shí)器控制塊在鏈表中的移除和再插入操作。插入前需要重新計(jì)算定時(shí)器下次到時(shí)時(shí)所處的分組。計(jì)算公式如下：
??? 定時(shí)器下次到時(shí)的OSTmrTime值=定時(shí)器定時(shí)值+當(dāng)前OSTmrTime值
??? 新的分組=定時(shí)器下次到時(shí)的OSTmrTime值％OS_TMR_CFG_WHEEL_SIZE

3 定時(shí)器精度與抖動(dòng)
??? 在μC／OS-II操作系統(tǒng)中，與定時(shí)相關(guān)的功能均基于系統(tǒng)的時(shí)鐘節(jié)拍。系統(tǒng)每秒的時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)決定了這個(gè)系統(tǒng)能分辨的最小時(shí)間，定時(shí)值只能為最小時(shí)間的倍數(shù)。每秒的時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)由os_cfg．h．文件中的宏OS_TICKS_PER_SEC定義。對(duì)于不同的應(yīng)用，該時(shí)鐘節(jié)拍一般在10～100次／s的范圍內(nèi)選取。其對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘中斷的時(shí)間間隔為100～10 ms，即時(shí)間的最小分辨單位為10 ms。處理器處理能力越高，每秒的時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)也相應(yīng)地越大。下面的數(shù)據(jù)測(cè)試中使用了ARM9處理器。最低運(yùn)行頻率為250 Hz時(shí)，時(shí)鐘節(jié)拍設(shè)為200次／s，可進(jìn)行正常的多任務(wù)調(diào)度。該測(cè)試環(huán)境下，最小分辨時(shí)間為5 ms。
??? 抖動(dòng)是指定時(shí)器回調(diào)函數(shù)開始執(zhí)行的時(shí)間與規(guī)定的時(shí)間相比，或提前或推后的現(xiàn)象。在定時(shí)器中抖動(dòng)總是存在的。下面主要分析2種抖動(dòng)情況及其對(duì)定時(shí)精度的影響。第1種抖動(dòng)情況如圖3所示。

??? T1：CPU響應(yīng)時(shí)鐘中斷，搜索中斷號(hào)，保存中斷現(xiàn)場(chǎng)并跳到時(shí)鐘中斷處理程序OSTimTick的時(shí)間。
??? T2：OSTimTick()函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間。該函數(shù)中對(duì)任務(wù)延時(shí)是否到期進(jìn)行了判斷。
??? T3：恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，退出中斷并進(jìn)行任務(wù)上下文切換的時(shí)間。
??? T4：定時(shí)器管理任務(wù)OSTmr_Task()判斷定時(shí)器是否到時(shí)的時(shí)間。
??? T4之后：定時(shí)器到時(shí)回調(diào)函數(shù)開始執(zhí)行。

?在CPU運(yùn)行頻率固定的情況下T1和T3的執(zhí)行時(shí)間是相對(duì)固定的，而且一般為匯編語言實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行速度也較快。而T2和T4的時(shí)間會(huì)隨著任務(wù)和軟件定時(shí)器數(shù)量的增多有所增加。測(cè)試時(shí)定時(shí)器定時(shí)值隨機(jī)選取。表1中的時(shí)間為不同處理器頻率下，定時(shí)器個(gè)數(shù)為1和5時(shí)觀測(cè)到的最大值。其中，T=T1+T2+T3+T4。

??? 由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，若有定時(shí)器到時(shí)，則經(jīng)過幾個(gè)μs的延時(shí)，定時(shí)器回調(diào)函數(shù)就可以執(zhí)行。與ms級(jí)的定時(shí)最小分辨時(shí)間相比，其抖動(dòng)對(duì)到時(shí)準(zhǔn)確性的影響是非常小的。隨著處理器頻率的提升和處理能力的加強(qiáng)，這個(gè)抖動(dòng)時(shí)間還可以進(jìn)一步縮小。第2種抖動(dòng)情況如圖4所示。

??? 當(dāng)下一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍快到來時(shí)(如圖4中A時(shí)刻)，一個(gè)定時(shí)器被開啟了。因?yàn)橄到y(tǒng)能分辨的最小時(shí)間即時(shí)鐘節(jié)拍的間隔時(shí)間，所以定時(shí)器開啟時(shí)記錄的當(dāng)前時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)為1，假設(shè)定時(shí)器的定時(shí)值就是一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍間隔。定時(shí)器開啟后，第2個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍馬上就到了，由情況1的分析可知，這個(gè)定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)很快就會(huì)被執(zhí)行。B時(shí)刻表示這個(gè)定時(shí)器回調(diào)函數(shù)第一次執(zhí)行。C、D時(shí)刻為回調(diào)函數(shù)的第2次與第3次執(zhí)行時(shí)刻，這兩次到時(shí)是比較準(zhǔn)確的。
??? 因此，定時(shí)器從開啟到回調(diào)函數(shù)開始執(zhí)行的時(shí)間與定時(shí)值相比是有較大抖動(dòng)的。若此時(shí)的時(shí)鐘節(jié)拍間隔為5 ms，則這個(gè)抖動(dòng)的誤差最大即5 ms。這種情況下的抖動(dòng)只能通過提高每秒的時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)來減小。因此，在數(shù)據(jù)采集或其他定時(shí)器的應(yīng)用中，要留意定時(shí)器開啟后第一次到時(shí)的處理，以免進(jìn)行錯(cuò)誤的判斷。

4 定時(shí)器管理任務(wù)對(duì)操作系統(tǒng)性能的影響
??? 定時(shí)器管理任務(wù)的運(yùn)行使應(yīng)用程序可建立的任務(wù)數(shù)減1。該任務(wù)要求是系統(tǒng)中的最高優(yōu)先級(jí)，因此每次有時(shí)鐘中斷發(fā)生它都要運(yùn)行，必然會(huì)消耗掉一定的CPU資源。軟件定時(shí)器功能所占用的CPU運(yùn)行時(shí)間(設(shè)為M)的計(jì)數(shù)公式為：
??? M=定時(shí)器管理任務(wù)判斷定時(shí)器是否到時(shí)的時(shí)間+定時(shí)器回調(diào)函數(shù)執(zhí)行時(shí)間+定時(shí)器控制塊移除
??? 與再插入時(shí)間+切換到次低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的時(shí)間
??? 首先，采用μC／OS-II中自帶的統(tǒng)計(jì)任務(wù)測(cè)試定時(shí)器管理任務(wù)對(duì)CPU資源的占用情況。測(cè)試時(shí)系統(tǒng)中開啟3個(gè)任務(wù)：定時(shí)器管理任務(wù)、統(tǒng)計(jì)任務(wù)和Idle任務(wù)。定時(shí)器到時(shí)回調(diào)函數(shù)在定時(shí)器管理任務(wù)中執(zhí)行，增加了管理任務(wù)運(yùn)行時(shí)間。為僅測(cè)試系統(tǒng)定時(shí)器管理功能的開銷，測(cè)試時(shí)將定時(shí)回調(diào)函數(shù)置為空操作。因統(tǒng)計(jì)任務(wù)要求必須在初始化時(shí)建立第一個(gè)也是唯一的一個(gè)任務(wù)中調(diào)用統(tǒng)計(jì)任務(wù)初始化函數(shù)OSStatInit()，所以需在定時(shí)器管理任務(wù)中進(jìn)行必要改動(dòng)，以保證在統(tǒng)計(jì)任務(wù)初始化后才開啟定時(shí)器的管理功能。測(cè)試用定時(shí)器在main函數(shù)中靜態(tài)創(chuàng)建。
??? 測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)定時(shí)器數(shù)由1增加到8時(shí)，CPU的使用率一直是1％。這說明系統(tǒng)開啟定時(shí)器管理功能后，增加的負(fù)荷很小。另一方面因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)任務(wù)計(jì)算CPU使用率時(shí)是整數(shù)相除、余數(shù)舍棄，這就使得0～(OSIidleCtrMax／100-1)的計(jì)數(shù)是不能被分辨的，因此統(tǒng)計(jì)任務(wù)不能準(zhǔn)確地反應(yīng)定時(shí)器管理任務(wù)對(duì)CPU的使用情況。
??? 為了得到更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，采用“處理器占用率”這一指標(biāo)對(duì)管理任務(wù)開銷進(jìn)行測(cè)試。
??? 處理器占用率=軟件定時(shí)器功能所占用的CPU運(yùn)行時(shí)間(M)／CPU運(yùn)行時(shí)間
??? 當(dāng)某一時(shí)鐘節(jié)拍到來時(shí)，假設(shè)這一時(shí)鐘節(jié)拍下無定時(shí)器到時(shí)，即“到時(shí)定時(shí)器回調(diào)函數(shù)執(zhí)行時(shí)間”和“定時(shí)器控制塊移除與再插入時(shí)間”為0。若當(dāng)前系統(tǒng)中所創(chuàng)建的定時(shí)器正好在同一個(gè)分組中，則管理任務(wù)須對(duì)每個(gè)定時(shí)器的到時(shí)值進(jìn)行比較，此時(shí)為無定時(shí)器到時(shí)時(shí)定時(shí)器管理任務(wù)對(duì)CPU的最高占用率。測(cè)試中，將定時(shí)器的到時(shí)值設(shè)定為8的倍數(shù)加1，在main()函數(shù)中靜態(tài)創(chuàng)建。使所有定時(shí)器控制塊在同一分組中，當(dāng)OSTime也是8的倍數(shù)加1時(shí)，就形成了無定時(shí)器到時(shí)時(shí)定時(shí)器管理任務(wù)的最壞運(yùn)行情況。
??? 測(cè)試環(huán)境為：ARM9(400 MHz)，定時(shí)器最小分辨時(shí)間為5 ms(該值作為計(jì)算時(shí)的“CPU運(yùn)行時(shí)間”)，硬件計(jì)時(shí)器的最小分辨時(shí)間為0．02μs。讀硬件計(jì)時(shí)器計(jì)算時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如表2所列。

??? 由測(cè)試數(shù)據(jù)可知建立定時(shí)器數(shù)為8時(shí)，處理器占用率遠(yuǎn)小于1％。每增加一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器管理任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間約增加6．5μs，處理器的占用率約增加0．01％，任務(wù)的切換時(shí)間不變。這是在構(gòu)建的極端情況下測(cè)試的，實(shí)際應(yīng)用中的時(shí)間要小于這個(gè)值。
??? “定時(shí)器控制塊移除與再插入時(shí)間”在400 MHz下測(cè)試為0．22μs。某一時(shí)鐘節(jié)拍處理時(shí)，若有定時(shí)器到時(shí)，則最壞情況是這個(gè)到時(shí)的定時(shí)器控制塊在鏈表的最后，只有執(zhí)行完整個(gè)鏈表的判斷后才開始執(zhí)行該到時(shí)定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)。假設(shè)定時(shí)器數(shù)為8，且鏈表中最后一個(gè)定時(shí)器先到時(shí)，則該定時(shí)器到時(shí)的這個(gè)鐘節(jié)拍下處理器利用率為：(0．34μs+0．22μs+0．82μs+定時(shí)器回調(diào)函數(shù)執(zhí)行時(shí)間)／5 ms=(1．38μs+定時(shí)器回調(diào)函數(shù)執(zhí)行時(shí)間)／5 ms。

結(jié) 論
??? 本文對(duì)μC／OS-II軟件定時(shí)器的算法及抖動(dòng)問題進(jìn)行了分析，并在特定平臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試，較好地反映出了該定時(shí)器的精度和對(duì)處理器資源的占用情況。測(cè)試結(jié)果可信度高，為在μC／OS-II下的軟件定時(shí)器應(yīng)用開發(fā)提供了可靠的依據(jù)。