引 言
1 嵌入式實時作業系統和μc/os-ii
嵌入式作業系統eos(embedded operating system)主要負責嵌入式系統的全部軟、硬體資源的分配、排程、控制、協調併發活動;它必須體現其所在系統的特徵，能夠通過裝卸某些模組來達到系統所要求的功能[1]。
μc/os-ii是專門為計算機的嵌入式應用而設計的實時作業系統，是基於靜態優先順序的佔先式（preemptive）多工實時核心。採用μc/os -ii作為測試的目標，一方面是因為它已經通過了很多嚴格的測試，被確認是乙個安全的、高效的實時作業系統；另乙個重要的原因，是因為它免費提供了核心的源**，通過修改相關的源**，就可以比較容易地構造自己所需要的測試環境，實現自己需要的功能。
2 實時作業系統和系統實時效能指標
實時系統對邏輯和時序的要求非常嚴格，如果邏輯和時序出現偏差將會引起嚴重後果。實時系統有兩種型別：軟實時系統和硬實時系統。軟實時系統僅要求事件響應是實時的，並不要求限定某一任務必須在多長時間內完成；而在硬實時系統中，不僅要求任務響應要實時，而且要求在規定的時間內完成事件的處理。通常，大多數實時系統是兩者的結合。
事實上，沒有乙個絕對的數字可以說明什麼是硬實時，什麼是軟實時。它們之間的界限是十分模糊的。這與選擇什麼樣的cpu，它的主頻、記憶體等引數有一定的關係[1]。另外，因為應用的場合對系統實時效能要求的不同而有不同的定義。因此，在現有的固定的軟、硬體平台上，如何測試並找出決定系統實時效能的關鍵引數，並給出優化的措施和試驗資料，就成為乙個具有普遍意義並且值得深入**的課題。本文就是基於此目的進行討論的。
因為採用實時作業系統的意義就在於能夠及時處理各種突發的事件，即處理各種中斷，因而衡量嵌入式實時作業系統的最主要、最具有代表性的效能指標引數無疑應該是中斷響應時間了。中斷響應時間通常被定義為：
中斷響應時間=中斷延遲時間+儲存cpu狀態的時間+該核心的isr進入函式的執行時間[2]。
中斷延遲時間=max(關中斷的最長時間，最長指令時間) + 開始執行isr的第一條指令的時間[2]。
通俗點定義就是：從中斷發生起，到執行中斷處理程式的第一條指令所用的時間。由於實時作業系統更多考慮的是最壞的情況，而不是平均的情況，因此指令執行的時間就按照最長的指令執行時間來計算，所以中斷延遲時間，通常是由關中斷的最長時間來決定的。當fiq（快速中斷）使能時，最壞情況下fiq的中斷延遲時間由以下幾個部分構成：
t同步——請求通過同步器的最長時間，約4個處理器週期。
t最長指令時間——最長指令完成的時間。最長指令是載入包括pc的所有暫存器的ldm指令，在零等待狀態的系統中，約為20個週期。
t異常——資料異常進入時間，為3個週期。
tfiq——fiq進入時間， 2個週期。
最大的fiq中斷延遲時間約為29個時鐘週期。在系統使用40 mhz處理器時鐘時，約為0.7 μs。
對於最大的irq延遲，其計算與fiq類似。若必須允許fiq有更高的優先順序，那麼進入irq處理程式的延遲時間是隨機的[3]。
3 試驗原理和測試方法
首先需要啟動並開始執行μc/os-ii，因為試驗需要使用的計時函式是系統函式。進行堆疊和中斷向量等系統初始化後，首先要建立乙個任務，用以產生中斷。這樣os啟動後，中斷服務程式可以在任務中呼叫或者切換，中斷源可以設定為外部中斷或由任務產生。在主程式的臨界段迴圈查詢中斷狀態（vicrawintr;中斷狀態暫存器），一旦發現有中斷標識，則立即啟動計數器，並使能該中斷，跳出臨界段（在進入臨界段之前要關中斷 (os_enter_critical())，而跳出臨界段**進入中斷服務子程式後，儲存全部cpu暫存器後清除中斷源，並立即開中斷 (os_exit_critical())，然後停止計時並執行中斷處理**）。由於是在檢測到中斷標識後才跳出臨界段，所以一跳出臨界段就會立即發生中斷，進行中斷處理。儲存了cpu暫存器後進入中斷服務的第一條指令就是儲存計數器值。由於在跳出臨界段時才啟動的計數器，而在進入中斷服務時立即儲存了計數值，所以這個計數值就是所需要的中斷響應時間。
如果要試驗不同優先順序的中斷響應時間，可以設幾個不同優先順序的中斷服務程式，在高優先順序程式的出口計數器清零；而在下乙個中斷開始時儲存計數值，從而測試中斷優先順序對中斷響應時間的影響。
如果要測試不同型別的中斷響應時間，可以在程式中，分別使用不同型別的中斷（向量中斷，非向量中斷，快速中斷）來測試中斷型別對中斷響應時間的影響。原則上快速中斷（fiq）要求具有最高的優先順序，而且快速中斷的處理與作業系統基本無關，中斷服務子程式可以自行編寫（在不呼叫μc/os-ii的系統服務程式的情況下），沒有特別的要求。向量中斷則不能如此。因為雖然ads可以使用_irq關鍵字來宣告乙個函式是用來處理中斷的，從而可以避免在程式中使用彙編**，但是在μc/os-ii中不能這樣處理。因為使用c語言無法確保堆疊的結構，而rtos必須使堆疊保持一定的結構。這只有組合語言可以做到。這部分的**在檔案vectors.s中（為了簡化使用者編寫中斷服務子程式，這段彙編**已經被編寫成乙個巨集handler）[4]。具體可見參考文獻 [4]的p358~p359中所列的程式清單6.5中的彙編**，即中斷服務子程式必須按照 μc/os-ii的中斷服務程式的要求編寫，格式如下[4]：
儲存全部cpu暫存器;(1)
呼叫osintenter或osintnesting直接加1；(2)
清除中斷源(3)
重新開中斷(4)
執行使用者**做中斷服務;(5)
呼叫osintexit()；(6)
恢復所有cpu暫存器；（7）
執行中斷返回指令；（8）
如果要測試儲存器加速模組對中斷響應時間的影響，可以在關閉、部分使能和完全使能3種設定下分別測試同乙個中斷的響應時間，從而得出中斷響應時間與儲存器加速模組設定之間的關係。
由於鎖相器的設定必然會影響中斷響應時間，並且中斷響應時間與鎖相器（pll）的倍頻設定成反比，即倍頻設定越高，處理器工作速度越快，指令週期越短，而不同時鐘設定下同一中斷響應所需要執行的指令數是相同的，因而中斷響應時間就會越短。所以本文不作此項測試。
下面用程式來測試執行在lpc2104上的μc/os-ii的中斷響應時間。系統初始環境（預設）設定如下：系統晶振頻率設為11 059.2 khz，鎖相環（pll）倍增器值設定為4，處理器工作在fcclk=fosc×4=11059 mhz×4＝44.236 mhz。儲存器加速開啟。中斷型別為irq中斷，優先順序為0，即最高優先順序。
μc/os-ii提供了標準的計時程式初始化以及計時開始和計時結束的函式，分別如下所示。這些函式將在所有的試驗中使用。
void pc_elapsedinit(void)//初始化計時程式設定
void pc_elapsedstart(void)//開始計時
int16u pc_elapsedstop(void)//統計時間返回值
進行實驗時，首先在進入main（）函式前對系統進行一些基本的初始化工作，包括初始化引腳、系統時鐘、儲存器加速模組、系統時鐘等引數，以保證系統能夠基本執行。初始化完成後，系統進入main()函式，並建立新的任務。以外部中斷為例，由按鍵產生乙個外部中斷，在當前執行的任務中迴圈檢測中斷標誌暫存器，檢測到後就跳出迴圈進入中斷服務子程式。統計這段時間，就可以得出中斷響應時間了。
中斷服務程式的彙編部分按照參考文獻《arm微控制器基礎與實踐》p384~p385的程式清單6.5異常處理**的彙編部分來編寫，也就是編寫巨集handler，並在vectors.s檔案中引用這個彙編介面：irq_handler handler irq_exception，至此就完成了μc/os-ii中斷服務子程式的彙編部分。c語言部分主要用於具體的中斷處理，在完成必要的初始化後，只要在中斷處理程式的第一句將計時停止並返回計數值，具體的中斷處理**則並不重要，或者說停止計時就是中斷處理**了。由於irq中斷與系統相關，這部分**一般在檔案target.c中編寫實現。c語言部分示意性**如下所示：
void __irq_ecpe(void)
void task (void) }// 跳出迴圈；
os_exit_critical(); //退出臨界區，開中斷
return(0);
} int main (void)
測試不同優先順序的中斷響應時間的情況稍有些不同。因為要在低優先順序任務的中斷出口啟用高優先順序的中斷任務，對計數器清零並開始計數，在高優先順序的中斷處理**的第一條語句結束計時。其餘的部分基本一樣。限於篇幅，具體的源**就不一一枚舉了。
4 結論
經過試驗，得到表1所列測試資料。所有資料按照預設的條件，每次只更改其中乙個條件測試得出。
注：中斷優先順序測試時，中斷響應時間大於正常值，是因為發生高優先順序中斷時，需要等待低優先順序中斷任務開中斷才能進行響應。
由以上資料可知，μc/os-ii的中斷響應時間受記憶體加速模組和系統頻率設定的影響較大，而與中斷的型別和任務（中斷）優先順序關係不大。以上僅僅是個簡單的測試，更深入的測試可以基於這個方法繼續**。
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