任務及中斷負載下實時操作系統(tǒng)性能評估研究

陳磊，蔡銘，史昆

1.浙江大學醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院信息中心，杭州 310003

2.浙江大學計算機科學與技術學院，杭州 310027

任務及中斷負載下實時操作系統(tǒng)性能評估研究

陳磊1，蔡銘2，史昆2

1.浙江大學醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院信息中心，杭州 310003

2.浙江大學計算機科學與技術學院，杭州 310027

針對現有實時操作系統(tǒng)Benchmark在任務及中斷混合負載下的評估“失真”問題，從RTOS內核中斷響應模型分析入手，提出一種面向任務及中斷混合負載環(huán)境下的內核性能評估方法，并以Rhealstone和ThreadMetric兩種典型的Benchmark為基礎實驗平臺進行改造與修正，通過對VxWorks、RTEMS、uC/OSII等系統(tǒng)的性能評測，實驗結果表明，該評估方法對任務及中斷混合負載下的RTOS內核性能評估更具合理性。

實時操作 系統(tǒng)；中斷；任務；性能評估；評估套件

1 引言

實時操作系統(tǒng)（Real Time Operating System，RTOS）是指能在確定的時間內對外部事件做出響應并執(zhí)行功能的一類操作系統(tǒng)。RTOS作為航天領域基礎軟件之一，對于星、彈、箭等強實時、高可靠應用具有重要的支撐作用。在國外，RTOS已經被廣泛應用于星彈箭載及地面測控計算機，例如，NASA的火星探路者[1]、坦普爾1號彗星“深度撞擊”[2]等，分別采用了VxWorks、ThreadX等實時操作系統(tǒng)。在國內，小衛(wèi)星“實踐五號”[3]、“探索一號”[4]中也已使用pSOS實時操作系統(tǒng)。

隨著我國航天嵌入式軟件的系統(tǒng)規(guī)模及功能復雜度持續(xù)遞增，自研或選用RTOS產品作為嵌入式軟件支撐平臺將成為必然趨勢。現有國外的RTOS商用產品及開源系統(tǒng)種類豐富，如VxWorks、Integrity、QNX、RTEMS、ThreadX、uC-OS/II等，同時，“核高基”重大專項也正在大力支持我國自主研制RTOS產品。

調查結果表明，實時性能是用戶選用RTOS系統(tǒng)的首要關注特性[5]。因而，如何快捷、準確地對RTOS實時性能，尤其是內核性能指標進行有效評估，對產品選型以及自主研制均起到極為重要的作用[6]。

RTOS內核性能評價指標主要可分為兩類，包括：中斷性能指標與任務性能指標。其中，中斷相關性能指標，包括：最大關中斷時間、外部中斷響應時間、軟中斷響應時間等；多任務相關性能指標，包括：任務切換時間、任務搶占時間、內存分配時間、消息傳遞時間、信號量混洗時間、死鎖解鎖時間等。目前主要采用各類性能評估套件（Benchmark）對RTOS內核性能進行評測，可以分為單項指標測試和綜合性能測試兩大類型。較為知名的RTOS Benchmark系統(tǒng)包括：

（1）Dhrystone[7]屬于綜合評估套件，用于評估整數計算性能。該評估套件選擇了一組有代表性的操作，這些操作在高級語言里面經常用到，包括賦值、控制和函數調用等。

（2）Rhealstone[8]提供了一個RTOS性能測試Benchmark，可以對RTOS的任務切換時間、任務搶占時間、中斷延遲時間等6個性能指標進行測試，通過加權計算獲得Rhealstone值，Rhealstone值越大，表明RTOS的性能越好。

（3）Hartstone[9]是美國卡內基梅隆大學研制的一個實時系統(tǒng)的Benchmark。它從任務計算負載、任務執(zhí)行周期、時間期限要求出發(fā)，定義了5個類型的測試序列，通過不斷增壓的方法對系統(tǒng)進行測試，獲取RTOS的性能極限值參數，以此作為對比系統(tǒng)實時性能的依據。

（4）ThreadMetric[10]是美國Express Logic公司研制的一個RTOS性能測試Benchmark，其中包含1個基準測試和6個性能對比測試（包括搶占式任務調度、中斷處理、中斷搶占任務、任務同步、內存分配等測試），通過計算一定時間周期內完成某一事務的次數，作為評估RTOS性能的依據。

（5）M iBench[11]是美國密歇根大學研制的一個嵌入式系統(tǒng)Benchmark，針對汽車電子、工業(yè)控制、電信系統(tǒng)、網絡通訊等6大嵌入式應用，提供了35個典型應用軟件，可用于測試系統(tǒng)實時性能。

通過分析，可以發(fā)現上述RTOS Benchmark仍存在如下局限性：

（1）系統(tǒng)評估的應用負載環(huán)境構造較為單一。RTOS的運行環(huán)境復雜多樣，有任務、中斷、I/O等應用負載[12]，且相互間耦合、嵌套。而現有Benchmark大都僅提供單一的應用負載環(huán)境，且任務之間交互設計較為簡單，對混合負載情況下的性能評測能力不足，無法反映RTOS在實際工況下的執(zhí)行性能。

（2）系統(tǒng)綜合性能計算方法不甚合理?，F有Benchmark大都采取先獨立測試各單項性能指標，而后進行加權組合的方法計算系統(tǒng)綜合性能，如Rhealstone值計算。該方法要求各項性能指標相對獨立，無關聯約束。而在實際運行環(huán)境中，中斷性能、任務性能等指標彼此依賴、相互影響，因而僅采用簡單的加權計算方法評估系統(tǒng)綜合性能，理論依據不足。

基于上述分析，本文針對現有Benchmark在任務及中斷混合負載環(huán)境下性能評測的局限性，從分析RTOS內核中斷響應模型入手，提出一種在混合負載工況下有效評價內核性能的方法。

本文以Rhealstone和ThreadMetric兩種典型的Benchmark為基礎實驗平臺進行修正與優(yōu)化，通過對VxWorks、RTEMS、uC/OSII等系統(tǒng)在任務及中斷混合負載環(huán)境下的性能評估實驗，結果表明，該方法可有效改善現有Benchmark對RTOS內核性能評估“失真”問題。

2 中斷響應失效分析

首先，構建一個中斷負載環(huán)境，實測并分析RTOS內核在中斷壓力不斷提升的情況下，中斷響應失效次數的變化規(guī)律，以此為構建RTOS內核的中斷響應模型提供依據。

為了測試RTOS的中斷響應失效指標，以周期性中斷事件為負載，并假設應用程序運行期間不關閉中斷，即應用程序不干擾內核的中斷響應能力，可定義如下的中斷事件接受函數：

中斷事件接受函數是一個二值函數，其中，T為中斷的發(fā)生周期，以微秒為單位。P為容忍度，表示系統(tǒng)能夠容忍中斷被延時響應的程度。對于周期性中斷，超過周期T后的響應必定失效，因而，P介于0與1之間。ti為中斷響應延遲時間，即中斷響應時間與中斷發(fā)生時間的間隔。

中斷事件接受函數的意義如下：每隔T時間產生一次中斷，給定一個容忍區(qū)間T×P，在周期T時刻內響應中斷，且小于容忍區(qū)間，則認為是一次有效的中斷響應，否則認為該周期的中斷響應失效。

對一個時間段內的中斷失效次數定義如下：

上述兩者差值，即中斷失效次數Failsys，反映了一個時間段內RTOS丟失的中斷次數。

基于上述定義，設計了一組中斷負載實驗，通過不斷提高中斷頻率，即增加中斷負載情況下，觀察uC/ OSII0.52、uC/OSII2.80、RTEMS4.7.1、VxWorks5.4四個RTOS系統(tǒng)的Failsys指標變化情況。中斷響應性能好的RTOS，Failsys指標上升趨勢應該較為平緩，即丟失的中斷響應少，而中斷響應性能弱的RTOS則相反。

實驗結果如圖1所示，數據表明：

（1）各個RTOS均存在中斷臨界點或拐點，即到達一定的中斷頻率后，中斷響應丟失數量顯著上升。

圖1 四種RTOS在不同中斷頻率下的失效示意圖

（2）四個RTOS的Failsys指標變化趨勢具有差異性，表現出對中斷負載不同的敏感程度，其中，VxWorks5.4的變化趨勢最為平緩，uC/OSII0.52的變化最為劇烈，uC/OSII2.80、RTEMS4.7.1則介于上述兩者之間。

通過上述實驗可知，不同RTOS的中斷響應能力存在較大的差異性，其原因在于RTOS內核采用了不同的中斷響應處理策略，從而造成了各異的中斷響應行為，有待建立內核中斷響應模型進行分析。

3 中斷響應模型建立

本章對參與上述實驗的RTOS內核進行代碼分析，研究其中斷響應行為，建立RTOS內核的典型中斷響應模型，并以此作為任務及中斷混合負載環(huán)境下，對內核性能評測及Benchmark修正的依據。

建立中斷響應模型的思路為：對RTOS內核中系統(tǒng)調用代碼進行靜態(tài)分析，提取內核對中斷的保護及響應策略，進而總結形成中斷響應模型。

通過對系統(tǒng)調用代碼的分析，可以有助于建立中斷響應模型，其依據如下：

系統(tǒng)調用是內核提供應用服務的載體，運行于內核狀態(tài)，對內核數據結構進行大量的操作。為了防止外部中斷對內核數據造成的潛在破壞，在系統(tǒng)調用中均需采取一定的互斥與保護手段，不同的中斷保護策略及中斷響應機制，是影響RTOS中斷響應能力的決定因素。因而，對系統(tǒng)調用代碼進行分析，是判斷和掌握RTOS中斷響應行為的有效途徑。

以中斷負載實驗中，uC/OSII0.52、RTEMS4.7.1和VxWorks5.4三個典型系統(tǒng)實現“任務恢復”這一相同系統(tǒng)調用的偽代碼為例，如圖2所示，可以看到對中斷的響應處理采取了不同的策略，歸納為如下三類典型的RTOS內核中斷響應模型：

（1）巨型內核鎖模型：在uC/OSII0.52的系統(tǒng)調用實現中，采用全程關閉中斷方式完成內核與中斷的互斥保護，處理過程可分為：關閉中斷、系統(tǒng)調用處理、開啟中斷，共三個步驟。該模型的優(yōu)點是實現方法簡單易行，但由于在系統(tǒng)調用處理中全程關閉中斷，互斥粒度大，中斷關閉時間長。因而在中斷負載實驗中，隨著中斷頻率上升，中斷響應失效次數變化最為顯著。

（2）內核搶占點模型：在RTEMS4.7.1的系統(tǒng)調用實現中，將系統(tǒng)調用處理分解為幾個階段實現，在各部分的銜接處，以“內核搶占點”的方式響應中斷，減小了內核與中斷的互斥粒度，優(yōu)化了中斷響應時間。因而在中斷負載實驗中，隨著中斷頻率上升，具有較優(yōu)的中斷響應失效次數表現。

圖2 三種RTOS的系統(tǒng)調用對比分析

（3）基于延遲工作隊列的內核可重入模型：在VxWorks5.4的系統(tǒng)調用實現中，采用延遲工作隊列技術，進一步優(yōu)化了內核與中斷的互斥機制，其原理如下：在系統(tǒng)調用過程中不關閉中斷，當中斷操作涉及內核數據時，將該操作加入一個延遲工作隊列workQ中，并在退出內核操作時執(zhí)行。采用該方法，僅在加入延遲工作隊列操作過程中關閉中斷，因而關閉中斷時間最短，具有最優(yōu)的中斷響應性能指標。

通過上述對RTOS系統(tǒng)調用代碼的分析可知：uC/ OSII0.52、RTEMS4.7.1和VxWorks5.4三個系統(tǒng)采用了不同的中斷響應處理模型，其中，后兩個系統(tǒng)分別運用內核搶占點及延遲工作隊列優(yōu)化技術，使得內核的中斷響應能力得到有效提高，該分析結果與上章的中斷負載實驗測試結果一致。

4 中斷負載下RTOS內核性能評測分析

本章結合中斷響應模型，對各RTOS性能評測指標在中斷負載下的影響進行分析，進而選取“任務切換時間”這一性能指標，開展Rhealstone和ThreadMetric兩個典型Benchmark系統(tǒng)在中斷負載下的性能評測及分析工作。

4.1 中斷負載下中斷響應模型分析

基于中斷響應模型，對RTOS內核性能評估中的任務切換、任務搶占、同步通信指標，對其在中斷負載下的影響進行分析，結果如表1所示。

由表1可知，巨型內核鎖模型對中斷負載最不敏感，內核搶占點模型、基于延遲工作隊列的內核可重入模型，對中斷響應的靈敏度依次遞增，因而對內核性能指標評測的影響度也隨之增加。

4.2 中斷負載下Benchm ark評測實驗

在本節(jié)中，以“任務切換時間”這一RTOS內核性能關鍵指標為例，開展基于性能絕對值測試的Rhealstone和基于性能歸一化評分的ThreadMetric，兩個典型Benchmark系統(tǒng)在中斷負載下的測試及分析，其他性能指標的測試及分析與此相似，不再贅述。

實驗環(huán)境及構成說明如下：

以uC/OSII0.52、uC/OSII2.80、RTEMS4.7.1、VxWorks5.4四個RTOS為測試對象，任務調度算法均配置為優(yōu)先級位圖調度策略。

由信號發(fā)生器提供給測試系統(tǒng)一個周期性的外部中斷激勵，頻率跨度為60 Hz～4 kHz。

應用程序運行中不關閉中斷，并選用M iBench測試套件中提供的工業(yè)控制領域測試軟件包bitcount、qsort作為工作負載。

通過選取若干采樣點，可以獲得四個RTOS在不同中斷頻率下，“任務切換時間”性能指標的Benchmark評價值，測試結果如下：

Rhealstone測試提供了“任務切換時間”性能指標的絕對值，如圖3所示，隨著中斷頻率加大，uC/OSII 0.52的任務切換時間變化最為平穩(wěn)，而VxWorks5.4變化劇烈，表現不穩(wěn)定。

圖3 Rhealstone對四種RTOS的測試結果

與Rhealstone評估模型不同，ThreadMetric通過與基準測試對比，獲得性能指標評分，分值越高則性能越好。圖4顯示了在ThreadMetric測試中，隨著中斷頻率增加，各RTOS的“任務切換時間”評分逐漸提高，uC/ OSII 0.52的評分增長較快，VxWorks5.4增加緩慢，在高中斷負載情況下，前者性能表現明顯優(yōu)于后者。

圖4 ThreadMetric對四種RTOS的測試結果

綜上，兩個Benchmark的測試結果較為一致，即：隨著中斷負載遞增，uC/OSII 0.52的任務調度器表現更為穩(wěn)定、出色，較RTEMS4.7.1、VxWorks5.4任務調度器功能優(yōu)。

表1 中斷負載對不同中斷響應模型RTOS性能指標的影響及分析

由前續(xù)分析可知，VxWorks5.4、RTEMS4.7.1采用了中斷響應優(yōu)化策略，使得內核對中斷事件更為靈敏，因而隨著中斷負載加大，對內核性能的評測影響也隨之增加。

現有的各類Benchmark測試，主要基于無中斷負載或中斷負載較輕情況設計，未考慮加入中斷負載后，對內核運行的干擾及影響，缺乏有效的補償和修正手段，因而，不適用于中斷負載下的內核性能評價，有失客觀性，甚至失之偏頗。

5 中斷負載下Benchm ark優(yōu)化

針對現有Benchmark在中斷負載下的性能評估“失真”問題，在本章中，首先從分析Rhealstone和Thread-Metric兩個Benchmark性能評測構成原理入手，進而對中斷負載造成的影響進行分析與修正，使其適用于中斷負載下的內核性能評測。

需要指出的是，本文僅以“任務切換時間”這一指標的修正方法為例討論，但是該思想同樣適用于對其他Benchmark及性能指標評測的修正。

5.1 Rhealstone分析及優(yōu)化

Rhealstone是一類基于絕對時間的測試套件，通過多次測試內核的某項活動起止時間并取均值后，形成對該項性能的評價。

Rhealstone共包含對內核的6項性能指標評測，包括：任務切換時間、任務搶占時間、中斷延遲時間、信號量混洗時間、消息傳輸時間和死鎖解除時間。

在中斷負載下，以“任務切換時間”性能指標Ttsw為例，Rhealstone的測試模型如下所示：

其中，Ttsw表示由Rhealstone測試得到的，用于完成任務上下文切換所消耗的時間；Tsch表示內核用于高優(yōu)先級任務查找及任務上下文切換時間；Tint表示由于中斷負載加入后，系統(tǒng)處理需消耗的額外時間。

由此可知，Tsch是內核用于任務切換的有效時間，在無中斷或輕中斷負載情況下，Tint可忽略不計，對Tsch的測試，可由Ttsw近似獲得。

然而，隨著中斷負載增加，采用不同的中斷響應模型，Tint值差異逐漸顯著，即內核與中斷互斥粒度大，則Tint值增加緩慢，反之則迅速遞增。因而，在重中斷負載情況下，Tint的影響已不可忽略。在圖3的Rhealstone測試中，uC/OSII 0.52表現穩(wěn)定，而VxWorks5.4變化顯著，可由Tint的變化程度不同來解釋。

對Rhealstone測試的修正方法是：在測試過程中累計內核響應中斷處理的時間，在測試結果中減去該時間段，即抵消中斷負載的影響，使得測試結果Ttsw真實反映任務切換工作所需的時間Tsch。

據此，對Rhealstone的測試模型修正如下：

在上述公式中，Tsys表示測試過程中內核用于響應中斷處理所額外耗費的時間。隨著中斷壓力增加，Tsys與Tint變化趨勢同步，因而可以有效降低中斷對內核的影響，反映真實的性能測試結果。

5.2 ThreadMetric分析及優(yōu)化

ThreadMetric是一類基于歸一化評分的測試套件，測試分為如下兩個步驟進行：

（1）在給定時間段內，統(tǒng)計內核完成某項活動的數量S，以及基準測試的完成數量H。

（2）將上述兩個數值相除，獲得對該項內核活動的性能評分R，即R=S/H。

采用歸一化評分方法，通過引入基準測試作為對系統(tǒng)基礎能力的評價，可以消除不同硬件平臺對測試的影響，因而使得ThreadMetric測試具有一定的跨平臺能力。

以“任務切換時間”性能指標為例，ThreadMetric的測試模型如下所示：

其中，R表示由ThreadMetric測試得到的任務切換時間評分；S表示由ThreadMetric測試得到的，單位時間內系統(tǒng)完成任務切換的數量；Ssys、Susr分別表示在任務切換測試中，由RTOS內核及應用程序完成的工作；H表示由ThreadMetric測試得到的，單位時間內系統(tǒng)完成基準測試的數量；Hsys、Husr分別表示在基準測試中，由RTOS內核及應用程序完成的工作。

加入中斷負載后，對ThreadMetric測試的影響分析如下：

（1）S和H測試數值均不同程度受到中斷負載影響，數值逐步減小。

（2）H測試中，由于沒有調用內核服務，與Husr值相比，Hsys值很小，可以忽略不計。

（3）S測試中，需要內核調度服務，Ssys不可忽略，對Ssys做進一步分解，分離中斷影響因素：

其中，Slock表示在任務切換測試中內核關閉中斷服務工作，該數值不受中斷負載影響；Sunlock表示在任務切換測試中內核開啟中斷服務工作，該數值受中斷負載影響。

令中斷負載對系統(tǒng)評分的影響因子為Δ(0＜Δ＜1)，則ThreadMetric測試評分R計算如下：

對上述計算結果的說明如下：

（1）中斷影響因子Δ作用于Sunlock、Susr、Hsys、Husrsys值過小可忽略不計。

（2）隨著中斷負載加大，中斷影響因子Δ不斷增加測試評分R值將持續(xù)遞增。

（3）在中斷負載不斷增加環(huán)境下，RTOS的測試評分R值，將與Slock密切相關，即內核關閉中斷服務過程越長，R值將越高。

上述結論可較好地解釋在圖4的ThreadMetric測試中，隨著中斷負載加大，四個RTOS的“任務切換時間”性能評分均逐步提升，在重中斷負載下，uC/OSII 0.52評分優(yōu)于VxWorks5.4的現象。

由此可見，ThreadMetric雖然通過基準測試減少硬件平臺對性能測試的影響，卻沒有排除中斷負載對RTOS內核的干擾。由評分R值可以看出，中斷關閉時間越長、中斷響應能力越弱的RTOS，在中斷負載不斷加大的環(huán)境下，反而會得到更高的評分，因而以此評價內核性能將有失客觀性。

對ThreadMetric測試的修正方法為：在S測試中，隨著中斷負載的加入，對內核響應中斷服務的工作進行補償評分，從而增加RTOS在測試過程中所獲得的分值。修改后的評估模型如下所示：

其中，Sint表示在測試過程中，內核響應中斷服務所得到的分數；Ω是一個變換因子，用于將中斷服務得到的分數Sint與任務切換得到的分數S適配。

5.3 優(yōu)化后的實驗結果分析

對Rhealstone和ThreadMetric兩個Benchmark完成修正后再次對四個RTOS進行測試，結果分別如圖5、圖6所示，說明如下：

（1）在Rhealstone測試中，系統(tǒng)了消除內核響應中斷處理的時間，隨著中斷頻率提高，VxWorks5.4的任務切換時間變化平緩，體現出比uC/OSII 0.52更為穩(wěn)定的任務切換能力，因而評估結果更優(yōu)。

圖5 修正后的Rhealstone測試

圖6 修正后的ThreadMetric測試

（2）在Thread Metric測試中，系統(tǒng)將中斷處理作為有效分值計入，隨著中斷負載提高，VxWorks5.4獲得了更多的評分增值，而uC/OSII 0.52由于響應中斷數量少，因而獲得補償相對不足，分值提高速度較慢。

6 結論

本文從分析RTOS內核中斷響應模型入手，結合對現有Benchmark的實證分析，發(fā)現目前的Benchmark不適用于中斷負載情況下的內核性能評測。針對這一評估“失真”問題，提出一種中斷及任務混合負載下的性能評估方法，通過對Rhealstone和Thread Metric兩個典型Benchmark的改造和修正，結合對VxWorks、RTEMS、uC/OSII等系統(tǒng)的評測，結果表明，該評估方法對RTOS內核性能評估更具合理性。

目前，該評估方法僅支持中斷及任務兩個負載維度，后續(xù)將進一步增加對I/O負載的支持，以期對RTOS在更真實的應用工況下開展性能評估。

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CHEN Lei1,CAI M ing2,SHI Kun2

1.Center of Information, The First Affiliated Hospital, College of Medicine, Zhejiang University, Hangzhou 310003, China
2.College of Computer Science and Technology, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

In order to improve the RTOS’s performance evaluation more accurately in the environment of both task and interrupt, the paper presents an interrupt response based model from the view of RTOS kernel. The evaluation on two typical Benchmark systems, namely Rhealstone and ThreadMetric, with three RTOSs including VxWorks, RTEMS and uC/OSII, shows that the new model can really obtain the more accurate evaluation under the circumstances of mixed load.

Real Time Operating System（RTOS）; interrupt; task; performance evaluation; Benchmark

CHEN Lei, CAI Ming, SHI Kun. RTOS kernel performance evaluation technology research based on loads of task and interrupt. Computer Engineering and Applications, 2014, 50（17）：80-85.

A

TP391.76

10.3778/j.issn.1002-8331.1303-0036

國防基礎科研；載人航天工程軟件專項；航天支撐技術基金。

陳磊（1976—），女，信息工程師，主要研究方向為實時操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、軟件測試技術、醫(yī)療信息化；蔡銘（1973—），男，工學博士，副教授，主要研究方向為實時操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、軟件測試技術等；史昆，男，碩士生，主要研究方向為實時操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)。E-mail：sm ile_chenl@163.com

2013-03-04

2013-04-23

1002-8331（2014）17-0080-06

CNKI網絡優(yōu)先出版：2013-05-21,http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20130521.1027.008.htm l