μC／OS-II定時(shí)器算法分析與測(cè)試

由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，若有定時(shí)器到時(shí)，則經(jīng)過(guò)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(lái)時(shí)(如圖4中A時(shí)刻)，一個(gè)定時(shí)器被開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)啟到回調(diào)函數(shù)開(kāi)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(guò)提高每秒的時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)來(lái)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(kāi)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(kāi)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(kāi)銷(xiāo)，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(kāi)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(shuō)明系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)銷(xiāo)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(lái)時(shí)，假設(shè)這一時(shí)鐘節(jié)拍下無(wú)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(wú)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(wú)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(kāi)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(wèn)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(kāi)發(fā)提供了可靠的依據(jù)。