??? 摘? 要： 嵌入式系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性能一般要求較高，中斷延遲是評(píng)估嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的重要指標(biāo)。利用ILTiming測(cè)試工具對(duì)WinCE4.2和5.0進(jìn)行中斷延遲測(cè)量，分析了導(dǎo)致中斷延遲的原因，同時(shí)針對(duì)PXA255處理器的BSP提出了測(cè)試WindowsCE系統(tǒng)中斷延遲的方法。?

????關(guān)鍵詞： Xscale PXA255；WindowsCE；實(shí)時(shí)性；中斷；ILTiming

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??? 實(shí)時(shí)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果正確與否，不僅取決于計(jì)算邏輯的正確性，還取決于計(jì)算所消耗的時(shí)間，即如果不能滿足系統(tǒng)的時(shí)間限制，同樣會(huì)認(rèn)為系統(tǒng)失敗。自1986年以來，通用汽車動(dòng)力公司（GMPTG）在制造應(yīng)用中實(shí)施的OMAC（Open ModularArchitecture Controller）技術(shù)方面一直處于領(lǐng)先地位，并且還促成了OMAC用戶群的形成。在對(duì)很多應(yīng)用進(jìn)行評(píng)估后發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)系統(tǒng)(95%)需要1 ms或稍長(zhǎng)的周期，1 ms周期允許的變化幅度為10%，即100 μs。大部分滿足要求的工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用是由從一臺(tái)機(jī)器發(fā)出的外部信號(hào)驅(qū)動(dòng)的，此信號(hào)以中斷形式發(fā)送給硬實(shí)時(shí)應(yīng)用。這使OMAC抖動(dòng)重新定義為針對(duì)不超過100 μs的中斷服務(wù)線程（IST）延遲的時(shí)間限制，其余被評(píng)估的應(yīng)用使用計(jì)時(shí)器創(chuàng)建其周期，這就需要一臺(tái)抖動(dòng)不超過100 μs的1 ms計(jì)時(shí)器。因此，OMAC定義提出的設(shè)計(jì)和測(cè)試要求為：IST延遲不超過100 μs；1 ms計(jì)時(shí)器的誤差時(shí)間最長(zhǎng)為100 μs。?

??? 實(shí)時(shí)系統(tǒng)由滿足系統(tǒng)要求的硬件(HardWare)、操作系統(tǒng)(OS)和應(yīng)用程序(Application Program)組成。WinCE是一款實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有比桌面Windows更好的實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性。目前，在中國(guó)市場(chǎng)上應(yīng)用比較廣泛的WinCE系統(tǒng)主要有4.2和5.0兩個(gè)版本。Intel Xscale PXA255微處理器是Intel針對(duì)嵌入式高端應(yīng)用推出的高性能ARM微處理器，以PXA255為基礎(chǔ)構(gòu)建的嵌入式平臺(tái)能夠滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的硬件要求。在硬件平臺(tái)Compulab開發(fā)板(一款以色列Compulab公司開發(fā)的以PXA255為處理器的開發(fā)板)上，通過ILTiming測(cè)試工具測(cè)試WinCE4.2和5.0的實(shí)時(shí)性能的重要指標(biāo)——中斷延遲時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，中斷延遲時(shí)間與微處理器(MPU)頻率成反比關(guān)系，與系統(tǒng)負(fù)荷成正比關(guān)系,并且在惡劣的情況下,WinCE4.2和5.0均能滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求。?

1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)?

??? 硬件平臺(tái)主要以Intel XScale PXA255處理器為核心，外圍主要集成了以太網(wǎng)控制器、SDRAM、NOR FLASH、NAND FLASH、CompactFLASH、PS/2鼠標(biāo)鍵盤控制器、兩個(gè)USB主接口、音頻麥克控制器和電源管理等模塊，并通過PXA255處理器本身的接口功能實(shí)現(xiàn)三個(gè)串口、一個(gè)從USB接口、觸摸屏和LCD顯示屏等。其中Intle Xscale PXA255是一種技術(shù)先進(jìn)的高性能嵌入式處理器，其內(nèi)部采用Xscale核心，性能比ARM9內(nèi)核更加優(yōu)越，頻率最高可達(dá)400 MHz。該內(nèi)核擴(kuò)充了許多DSP指令，極大地提高了多媒體的處理能力，同時(shí)還提供了LCD(液晶顯示器)控制器、無線局域網(wǎng)802.11b、藍(lán)牙、高速紅外、USB等多種功能模塊的支持。圖1是以Intel XScale PXA255處理器為核心的硬件平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。?

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??? 在完成電路板上基本硬件的測(cè)試后，根據(jù)實(shí)際硬件的需要分別針對(duì)WinCE4.2和5.0操作系統(tǒng)開發(fā)了板級(jí)支持包BSP，經(jīng)測(cè)試后，WinCE4.2和5.0系統(tǒng)各項(xiàng)硬件功能均能正常穩(wěn)定工作。BSP開發(fā)是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)移植的重要工作之一，但不是本文研究的重點(diǎn)，在此不作介紹。?

2 WindowsCE中斷機(jī)制及中斷延遲測(cè)試原理?

??? 由微軟倡導(dǎo)的中斷處理模型，希望用戶盡可能在任務(wù)級(jí)通過中斷服務(wù)線程(IST)處理中斷。IST和中斷服務(wù)例程(ISR)通過一個(gè)事件對(duì)象鏈接在一起。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，經(jīng)ISR處理后，立即向內(nèi)核返回一個(gè)中斷標(biāo)識(shí)符，內(nèi)核針對(duì)此中斷標(biāo)識(shí)符設(shè)置相應(yīng)的事件，直到相應(yīng)事件通知的IST在內(nèi)核設(shè)置這一事件后，才開始進(jìn)行WindowsCE中斷處理。?

??? 能夠在指定的時(shí)間內(nèi)實(shí)施中斷是內(nèi)核實(shí)時(shí)性能最重要的特性之一。中斷延遲主要是指軟件中斷處理延遲，即從外部中斷到達(dá)處理器直到中斷處理開始之間的時(shí)間間隔。如果不發(fā)生分頁操作，WinCE中斷延遲時(shí)間將被限制在內(nèi)存中鎖定的線程，這樣就可以計(jì)算最惡劣情況下的延遲時(shí)間。?

??? 根據(jù)WinCE中斷處理機(jī)制，中斷延遲可分為ISR延遲和IST延遲^[5]。?

??? ISR延遲時(shí)間是從IRQ在CPU中被設(shè)置時(shí)到ISR開始運(yùn)行時(shí)的時(shí)間。以下三個(gè)與時(shí)間相關(guān)的變量會(huì)影響ISR的啟動(dòng)：?

??? (1)中斷在內(nèi)核中關(guān)閉的最長(zhǎng)時(shí)間。內(nèi)核很少關(guān)閉中斷，但如果將它們關(guān)閉，則關(guān)閉的時(shí)間長(zhǎng)度會(huì)受到限制。?

??? (2)在內(nèi)核調(diào)度中斷和ISR被實(shí)際調(diào)用之間的時(shí)間。內(nèi)核使用該時(shí)間確定要運(yùn)行什么ISR，并保存在繼續(xù)之前必須保存的任何寄存器。?

??? (3)在ISR返回到內(nèi)核和內(nèi)核實(shí)際停止處理中斷之間的時(shí)間。這是內(nèi)核通過還原在ISR被調(diào)用之前被保存的任何狀態(tài)（例如寄存器）來完成ISR操作的時(shí)間。?

??? 正在測(cè)量的ISR的啟動(dòng)時(shí)間可以基于系統(tǒng)中其他中斷的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。如果中斷正在進(jìn)行，則計(jì)算要測(cè)量的新ISR的啟動(dòng)時(shí)間必須考慮到兩個(gè)因素：所關(guān)注的中斷已經(jīng)發(fā)生之后將發(fā)生的較高優(yōu)先級(jí)中斷的數(shù)量及執(zhí)行ISR所占用的時(shí)間。下式說明了所得到的啟動(dòng)時(shí)間：?

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其中，N_ISR是在所關(guān)注的中斷之后發(fā)生的較高優(yōu)先級(jí)中斷的數(shù)量；T_ISR(N)是執(zhí)行ISR所需要的時(shí)間。圖2示意了該公式。?

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??? 如果沒有發(fā)生較高優(yōu)先級(jí)中斷(N_ISR=0)，則式(1)將簡(jiǎn)化為以下的代碼示例：?

??? Start of ISR=A+B?

??? Windows CE內(nèi)核和OEM(Original Equipment Manufacture)都會(huì)影響執(zhí)行ISR的時(shí)間。Windows CE控制變量A、B和C，它們都會(huì)受到限制。OEM控制N_ISR和T_ISR(N)，它們都可以極大地影響ISR滯后時(shí)間。?

??? IST延遲時(shí)間是從ISR完成執(zhí)行(即通知線程)到IST開始執(zhí)行的時(shí)間。以下四個(gè)與時(shí)間相關(guān)的變量會(huì)影響 IST的啟動(dòng)時(shí)間：?

??? B：內(nèi)核調(diào)度中斷和ISR被實(shí)際調(diào)用之間的時(shí)間。內(nèi)核使用該時(shí)間確定要運(yùn)行什么ISR，并保存在繼續(xù)之前必須保存的任何寄存器。?

??? C：在ISR返回到內(nèi)核和內(nèi)核實(shí)際停止處理中斷之間的時(shí)間。這是內(nèi)核通過還原在ISR被調(diào)用之前保存的任何狀態(tài)（例如寄存器）來完成ISR操作的時(shí)間。?

??? L：KCALL中的最長(zhǎng)時(shí)間。?

??? M：調(diào)度線程的時(shí)間：在ISR返回到內(nèi)核并且內(nèi)核執(zhí)行某些工作以開始執(zhí)行IST之后最高優(yōu)先級(jí)IST開始的啟動(dòng)時(shí)間。在ISR返回并通知IST開始運(yùn)行之后，IST啟動(dòng)時(shí)間受所有ISR的總計(jì)時(shí)間的影響。?

??? 式(2)說明了所得到的啟動(dòng)時(shí)間，圖3示意了該公式。?

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??? Windows CE內(nèi)核和OEM都會(huì)影響執(zhí)行IST所需的時(shí)間。Windows CE內(nèi)核控制變量B、C、L和M，它們都是受限制的。OEM控制N_ISR和T_ISR(N)，它們可以極大地影響IST滯后時(shí)間。WindowsCE.net對(duì)IST添加了以下限制：鏈接ISR和IST的事件處理只能用在 WaitForSingleObject函數(shù)中,防止ISR-IST事件處理被用在WaitForMultipleObjects函數(shù)中，這意味著內(nèi)核可以擔(dān)保觸發(fā)事件的時(shí)間和釋放IST的時(shí)間有一個(gè)上限。?

??? ILTiming利用系統(tǒng)時(shí)鐘的溢出作為外部中斷。系統(tǒng)時(shí)鐘ISR程序由硬件抽象層(OAL)完成，ILTiming則作為IST運(yùn)行，所以實(shí)現(xiàn)ILTiming測(cè)試只需要對(duì)OAL進(jìn)行特定的修改，而不需要修改內(nèi)核，OAL可以很容易改編，并可運(yùn)行在任何OEM平臺(tái)上。?

??? 測(cè)試ISR延遲的原理如下：設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘初值為a_l，ISR在開始時(shí)刻讀取系統(tǒng)時(shí)鐘的值為a₂，系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)頻率為f，ISR延遲時(shí)間為t_isr，則：?

??? t_isr=(a₂-a_l)/f?

??? 測(cè)試IST延遲的原理如下：將系統(tǒng)時(shí)鐘默認(rèn)值的每隔n個(gè)滴答，通知SYSINTR_TIMING中斷標(biāo)識(shí)符事件。ILTiming應(yīng)用程序的主線程等待SYSINTR_TIMING中斷事件，因而變成IST。在ISR完成那一刻設(shè)定一個(gè)時(shí)間戳t₁，在IST開始時(shí)刻設(shè)置第二個(gè)時(shí)間戳t₂，IST延遲時(shí)間為t_ist，則：?

??? t_ist=(t₂-t₁)/f?

??? 針對(duì)PXA255處理器的處理器支持包(CSP)，在WinCE4.2中按照上述方法，利用操作系統(tǒng)時(shí)鐘匹配寄存器0(OSMR0)產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘滴答測(cè)試IST；在WinCE5.0中，利用OSMR2作為一個(gè)額外開啟的定時(shí)器2（定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)度為n個(gè)滴答的時(shí)間）測(cè)試IST。兩種方法雖然利用的OSMR不同，但測(cè)試IST的原理相同。?

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法及測(cè)試結(jié)果分析?

??? 作為一款嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其關(guān)鍵是WindowsCE能否達(dá)到硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的要求。為了觀察系統(tǒng)的整體性能，測(cè)試并計(jì)算了ISR和IST中斷延遲的平均值。另外，ISR和IST出現(xiàn)最大值是操作系統(tǒng)中斷延遲最惡劣的情況，需特別關(guān)注。?

??? 測(cè)試方案分成三種：?

??? (1)在沒有后臺(tái)任務(wù)運(yùn)行的情況下測(cè)試中斷延遲，這里只保留系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)最基本的中斷，不對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行額外操作，無持續(xù)運(yùn)行的中斷源。持續(xù)運(yùn)行的中斷源由LCD顯示屏顯示DMA中斷、橋接芯片IT8152固定中斷和時(shí)鐘中斷。這是測(cè)試環(huán)境最簡(jiǎn)單的一種測(cè)試方式，也是具備基本工作能力下測(cè)得最小中斷延遲的方式，為今后的測(cè)試提供了一個(gè)比較基準(zhǔn)。?

??? (2)為了觀察系統(tǒng)運(yùn)行有后臺(tái)任務(wù)時(shí)對(duì)中斷延遲的影響，可在系統(tǒng)存在額外負(fù)荷的情況下測(cè)試中斷延遲的變化情況。?

??? (3)為了觀察其他中斷源對(duì)測(cè)試中斷延遲的影響，可人為加入其他可控制頻度的中斷源。?

3.1 無后臺(tái)任務(wù)情況下中斷延遲測(cè)試?

??? 通過對(duì)PXA255設(shè)置cpuclock的方法得到100 MHz、200 MHz、300 MHz和400 MHz的不同主頻，分別測(cè)得ISR和IST延遲最大值和平均值，得到從100 MHz～400 MHz的ISR和IST延遲的最大值和平均值的變化趨勢(shì)(如圖4所示)，ISR為延遲平均值，IST為延遲平均值。?

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??? 測(cè)試結(jié)果分析：從整體上看，WinCE4.2和5.0的測(cè)試結(jié)果有相同的規(guī)律，隨著MPU主頻的增加，ISR和IST延遲都會(huì)減少，而且呈近似線性遞減的趨勢(shì)。但是ISR下降的速度要比IST緩慢，可見MPU主頻的變化對(duì)ISR的影響相對(duì)較小，ISR的延遲主要由內(nèi)核決定；而IST延遲的變化就比較明顯，可見MPU主頻對(duì)IST的延遲影響較大。造成IST延遲的三個(gè)因素中，如果忽略第一個(gè)因素(因?yàn)榛謴?fù)寄存器的時(shí)間很短)，則KCALL執(zhí)行最長(zhǎng)時(shí)間和調(diào)度IST線程時(shí)間就由MPU主頻決定，即MPU主頻越高，執(zhí)行KCALL的速度就越快。由于在KCALL執(zhí)行過程中要禁止調(diào)度器，這樣調(diào)度器被禁止的時(shí)間就會(huì)縮短，因此IST延遲隨著MPU主頻的增加而減小。綜上所述，上文歸納的造成ISR和IST延遲的原因是正確的。?

??? 在文獻(xiàn)[6]中，當(dāng)MPU為AMD K6、主頻為500 MHz時(shí)，在無后臺(tái)任務(wù)運(yùn)行的情況下的測(cè)試平均值是t_isr=1.6 μs，t_ist=8.4 μs。由圖4可知，在400 MHz無后臺(tái)任務(wù)情況下平均值是：t_isr=2.1 μs，t_ist=10.6 μs。原因是：(1)主頻變化的影響。通過分析發(fā)現(xiàn)，主頻越高延遲越小。(2)微軟測(cè)試的只是最基本的WindowsCE內(nèi)核，無持續(xù)運(yùn)行的中斷源（LCD顯示屏顯示DMA中斷、橋接芯片T8152固定中斷等），所以微軟的測(cè)試更接近于理論最理想情況。測(cè)試主要針對(duì)可正常工作的Compulab開發(fā)板，更接近面向具體的實(shí)際應(yīng)用。?

3.2 有后臺(tái)任務(wù)情況下中斷延遲測(cè)試?

??? ILtiming可以通過輸入?yún)?shù)運(yùn)行后臺(tái)任務(wù)，在此后臺(tái)任務(wù)下測(cè)量中斷延遲。ILtiming可增加的后臺(tái)任務(wù)所對(duì)應(yīng)的命令如下：?

??? i1：一個(gè)只是運(yùn)行的線程，不做任何事情。?

??? i2：一個(gè)執(zhí)行SetThreadPriority(IDLE)的線程。?

??? i3：兩個(gè)交替執(zhí)行SetEvent和WaitForSingleObject函數(shù)的線程，超時(shí)時(shí)間為10 s。?

??? i4：兩個(gè)交替執(zhí)行SetEvent和WaitForSingleObject函數(shù)的線程，超時(shí)時(shí)間無限。?

??? i5：調(diào)用 VirtualAlloc和VirtualFree的線程，超時(shí)時(shí)間無限。?

??? 分別在100 MHz、200 MHz、300 MHz和400 MHz主頻下，運(yùn)行5種后臺(tái)任務(wù)并測(cè)得5組數(shù)據(jù)。由于ISR可搶占運(yùn)行，有無后臺(tái)任務(wù)對(duì)t_isr的影響不大，所以這里只分析IST受后臺(tái)任務(wù)影響的情況。圖5示出了4個(gè)主頻下測(cè)得的IST延遲的平均值與無后臺(tái)任務(wù)時(shí)IST延遲的平均值相比較的情況。測(cè)試結(jié)果分析:無論MPU主頻如何變化，IST最大延遲總是發(fā)生在第5個(gè)后臺(tái)任務(wù)，即處理虛擬內(nèi)存分配請(qǐng)求VirtualAlloc/VirtualFree。在處理虛擬內(nèi)存分配請(qǐng)求過程中，內(nèi)核將從其物理內(nèi)存池搜索物理內(nèi)存，搜索內(nèi)存的時(shí)間各不相同，這取決于正在使用的內(nèi)存量和內(nèi)存的碎片情況。此外，分配存儲(chǔ)空間屬于內(nèi)核功能調(diào)用(KCALLS)，在KCALLS執(zhí)行過程中不允許被打斷，調(diào)度器被禁止，從而導(dǎo)致IST調(diào)度延遲增加。因此為了減小分配虛擬內(nèi)存對(duì)實(shí)時(shí)性的影響，進(jìn)程應(yīng)當(dāng)在繼續(xù)執(zhí)行正常處理之前分配以及提交所有虛擬內(nèi)存。?

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3.3 外加其他中斷源情況下中斷延遲測(cè)試?

??? 在WinCE系統(tǒng)上運(yùn)行串口接受顯示程序，外部和單片機(jī)MSP430串口相連，MSP430上運(yùn)行串口連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)程序，發(fā)送周期從1 ms～1 000 ms。用這種方法模擬產(chǎn)生不同頻度的中斷源測(cè)試中斷延遲。?

??? 測(cè)試結(jié)果分析：隨著串口中斷間隔時(shí)間變大，IST平均中斷延遲時(shí)間變小，且變化幅度明顯(如圖6所示)；ISR平均中斷延遲時(shí)間也變小，但變化幅度沒有IST變化明顯(如圖7所示)。當(dāng)加入中斷源時(shí)，由于ISR會(huì)暫時(shí)關(guān)中斷，所以當(dāng)中斷頻度變大時(shí)，關(guān)中斷的時(shí)間變長(zhǎng)，即ISR延遲時(shí)間隨中斷間隔時(shí)間變大而減小。但是微軟提倡I(xiàn)SR關(guān)中斷的時(shí)間要盡量短，大數(shù)據(jù)量的操作都移到IST中運(yùn)行，ISR延遲時(shí)間不可能也不允許太長(zhǎng)，所以ISR變化不明顯。而IST則受中斷源的干擾，首先，ISR延遲時(shí)間變大，定會(huì)導(dǎo)致IST延遲時(shí)間變大；其次，調(diào)度程序KCALLS被頻繁的外部中斷打斷，使IST調(diào)度延遲變大，故IST的變化相對(duì)較明顯。?

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3.4 在惡劣情況下最大延遲時(shí)間?

??? 通過以上對(duì)WinCE系統(tǒng)的整體實(shí)時(shí)性能的測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，在主頻高于300 MHz時(shí)，IST中斷延遲平均時(shí)間小于100 μs,可見WinCE操作系統(tǒng)達(dá)到了OMAC對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求。但作為一款實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，不僅要觀察其平均延遲時(shí)間，還要關(guān)注在最惡劣條件下的中斷延遲情況，即ISR和IST的最大延遲時(shí)間。?

??? 在以上實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)中同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序的情況下，400 MHz主頻下的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。?

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??? 表1中，WinCE中斷延遲最大值T_ISR+T_IST<250 μs，遠(yuǎn)小于1 ms，可見WinCE操作系統(tǒng)滿足大多數(shù)（95%）系統(tǒng)對(duì)中斷延遲時(shí)間的要求，所以可以說WinCE是一款實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。?

??? 本文簡(jiǎn)要闡述了WindowsCE的中斷處理機(jī)制，詳細(xì)分析了微軟提供的中斷測(cè)量工具ILTiming測(cè)試的原理和實(shí)現(xiàn)方法，并在Compulab PXA255開發(fā)板上運(yùn)用ILTiming設(shè)計(jì)測(cè)量了WindowsCE4.2和5.0的中斷延遲時(shí)間。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明:WindowsCE4.2和5.0具有相同的中斷延遲特性，即中斷延遲時(shí)間與MPU頻率成反比關(guān)系、與系統(tǒng)負(fù)荷成正比關(guān)系，且在惡劣情況下，均能滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)能否滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求由許多因素決定，本文只對(duì)中斷延遲進(jìn)行了分析，希望對(duì)需要了解WindowsCE中斷實(shí)時(shí)性能的嵌入式開發(fā)人員有所幫助。?

參考文獻(xiàn)?

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