如何測量嵌入式產品實時性能？

開發者在選擇嵌入式產品RTOS時，實時性能是最重要的標準之一。嵌入市場研究公司Evans Data和Venture Development(VDC)最新的研究報告稱，“實時性能”是開發者選擇商用實時操作系統最重要的因素。但問題是，何為實時性能，又如何測量呢？

實時性能

實時性能可定義為RTOS(或類似軟件)在響應某事件時執行相關操作的速度。實時意味著軟件必須在獨立的第二個事件發生前對第一事件作出響應。

例如，當汽車引擎進氣閥打開時，引擎控制軟件必須計算正確的空氣燃料混合比，并在閥門關閉之前將其注入到汽缸里，為壓縮沖程作準備。因此及時完成第一事件的響應是非常關鍵的，這樣才能滿足第二事件的要求。這個響應可能包括一系列操作，但最重要的是中斷處理和系統服務。

中斷處理

實時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，就會采取相關措施，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。一旦有中斷產生，這些處理必須暫停，當中斷的關鍵實時響應完成后，再繼續原先的處理。大多數RTOS都為開發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程，

* 保持該線程繼續執行時需要的有關數據，

* 將控制權交給中斷服務子程序(ISR),

* 在ISR中執行一定的操作以決定需要采取哪些措施，

* 提取/保存該中斷相關的關鍵(引入的)數據，

* 設置所需的與設備相關的(輸出)值，

* 確定當中斷及相關處理引起環境變化時需要執行哪個線程，

* 清除中斷硬件以識別下一個中斷，

* 將控制轉交給選擇的線程，包括提取該線程上次中斷時保持的環境數據。

所有這些(也許還有更多操作，具體操作與RTOS相關)都屬于中斷處理，但這僅是實時性能的一個方面。無庸置疑的是，在特定RTOS執行這些操作會造成實時性能的顯著區別。

系統服務

實時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程的執行。RTOS處理來自各線程的請求，執行規劃、信息傳遞、資源分配及很多其它服務。大多數情況下服務必須迅速執行，這樣線程可以在下一中斷產生時完成相關的操作。

系統服務盡管不屬于中斷處理，它也一項關鍵的實時響應，系統的成敗關鍵取決于系統服務。系統服務處理包括如下內容：

* 規劃未來事件發生時相應的任務或線程，

* 在線程間傳遞消息，

* 從通用池內聲明資源

系統服務的實現雖然比中斷處理更多變，但在改善RTOS實時性能方面占據同樣重要的地位。系統服務和中斷處理一起實現RTOS要求的重要處理。不同RTOS的功能實現及架構都有所不同，因而性能各異。

為何性能如此關鍵？

執行這些功能所需的時間是實時系統中最關鍵的指標，時間必須確定，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響應導航輸入以避免系統運作停止，磁盤控制器必須將磁盤讀寫頭的位置精確控制到相關點；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指令方面非常關鍵，但僅此并不能滿足系統要求，也不能提供最經濟有效的方案。

盡管2GHz處理器的代碼執行速度另人滿意，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品。相比之下，采用有效RTOS的經濟型處理器并不一定遜色，還可能會勝出，而且不會引起快速處理器相關的成本、功率/散熱/封裝問題。

如何測量實時性能？

實時性能的測量注重最重要的方面，使用通用硬件平臺嚴格測量各項指標，以比較不同RTOS。

因此開發者可以通過特定功能的執行情況，比較每個RTOS的性能，以量化實時性能，為產品開發作出正確的決定。需要測量的關鍵RTOS功能包括：

* 環境切換(CS) : 需要保存當前線程環境所需的時間，查找優先級最高的線程并保存其環境。

* 中斷潛伏范圍(ILR): 中斷被禁止的時間。

* RTOS系統服務

o tx_thread_suspend. 暫停應用程序線程。

o tx_thread_resume. 繼續先前暫停的線程。

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

o tx_queue_send . 向消息隊列發送消息。

o tx_queue_receive. 從消息隊列獲取消息。

o tx_semaphore_get. 從計數信號獲得實例。

o tx_semaphore_put. 在計數信號中放置實例。

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。

對于如上的每個系統服務，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間，比如沒有線程暫停或線程恢復。

o 線程暫停(TS): 由于資源無效需要暫停線程時處理請求所需時間。

o 線程恢復(TR): 當前一暫停的線程(優先級相同或者較低)恢復時處理請求所需時間。

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

這些功能的時間示例如下表所示。參考平臺使用的是主頻40MHz的ARM9處理器，采用ThreadX RTOS。這些時間對大多數32位處理器可根據時鐘速率作線性縮放。