中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)系.ppt

1、操作系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)應(yīng)用性能的影響,陳香蘭 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)系 2021年3月29日,2,提綱,操作系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo) 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)性能測(cè)試方法,3,操作系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)有哪些？,最多支持進(jìn)程/線程的個(gè)數(shù) 是否支持虛擬內(nèi)存 System call time RTOS相關(guān)指標(biāo)： 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間 上下文切換時(shí)間 中斷延遲時(shí)間 中斷響應(yīng)時(shí)間 任務(wù)切換時(shí)間 調(diào)度器延遲時(shí)間 周期性抖動(dòng)（jitter）,4,系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間,從系統(tǒng)發(fā)出處理要求到系統(tǒng)給出應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間。 這是RTOS一個(gè)比較綜合的性能指標(biāo)。,5,中斷延遲時(shí)間,從接收到中斷信號(hào)到操作系統(tǒng)做出響應(yīng)，并完成進(jìn)入中斷服務(wù)例程（如Linux的do_IRQ

2、）所需要的時(shí)間。 中斷延遲時(shí)間Tirq_latency=T1+T2 T1最長(zhǎng)關(guān)中斷時(shí)間 T2=硬件開(kāi)始處理中斷到開(kāi)始執(zhí)行中斷服務(wù)例程第一條指令之間的時(shí)間 T2由硬件決定，因此，Tirq_latency主要取決于T1 硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的關(guān)中斷時(shí)間通常是幾微秒，而Linux最壞可達(dá)幾毫秒。,Linux2.4內(nèi)核的中斷處理,6,中斷響應(yīng)時(shí)間,從計(jì)算機(jī)接收到中斷信號(hào)到操作系統(tǒng)作出響應(yīng)，并完成切換轉(zhuǎn)入用戶中斷處理程序(即驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)的ISR)的時(shí)間。 中斷響應(yīng)時(shí)間Tresponse=T1+T2+T3 T3=從中斷服務(wù)例程到開(kāi)始執(zhí)行驅(qū)動(dòng)注冊(cè)的ISR的第一條指令時(shí)間。 在硬RTOS中，Tresponse通常比

3、Tirq_latency多幾微秒。,INTR,最長(zhǎng)關(guān)中斷時(shí)間T1,CPU接收到INTR,保存上下文T2,do_IRQ T3,ISR,實(shí)際關(guān)中斷時(shí)間 （不可測(cè)）,Linux2.4內(nèi)核的中斷處理,7,上下文切換時(shí)間Tcontext_switch,保存當(dāng)前任務(wù)的上下文和恢復(fù)被調(diào)度任務(wù)的上下文的時(shí)間。 Tcontext_switch取決于CPU 有多少寄存器要保存和恢復(fù) CPU的內(nèi)部寄存器越多，額外負(fù)荷就越重。 還與指令周期長(zhǎng)度有關(guān) 實(shí)時(shí)內(nèi)核的性能不應(yīng)該以每秒鐘能做多少次任務(wù)切換來(lái)評(píng)價(jià)。 RTOS中通常是1微秒左右,8,任務(wù)搶占時(shí)間,當(dāng)一個(gè)事件引起更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)TaskHigh就緒到這個(gè)任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行

4、之間的時(shí)間。 Ttask_preemption=T4+Tsched+Tcontext_switch T4=從TaskHigh就緒到開(kāi)始執(zhí)行調(diào)度函數(shù)的時(shí)間（并且這次調(diào)度正好選擇了TaskHigh任務(wù)） Tsched=從調(diào)度程序開(kāi)始執(zhí)行到開(kāi)始從當(dāng)前任務(wù)Taskany切換到TaskHigh的時(shí)間 Tcontext_switch=上下文切換時(shí)間 與調(diào)度策略有關(guān)：是否允許優(yōu)先級(jí)搶占？ 與調(diào)度算法相關(guān)：常數(shù)/可變 時(shí)間 與硬件有關(guān),9,調(diào)度抖動(dòng),一個(gè)周期任務(wù)的周期間隔之間的變化。 通常，實(shí)時(shí)應(yīng)用以周期性任務(wù)的形式，即以一特定的周期被調(diào)度，并且在硬件定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)中斷喚醒調(diào)度器時(shí)開(kāi)始執(zhí)行。 雖然定時(shí)器中斷可

5、能發(fā)生的跟時(shí)鐘一樣有規(guī)律，但是許多不確定因素會(huì)導(dǎo)致調(diào)度器的運(yùn)行時(shí)間變得不確定，導(dǎo)致接下來(lái)的任務(wù)的開(kāi)始時(shí)間就會(huì)相應(yīng)地變化，這個(gè)影響就叫調(diào)度抖動(dòng)。 抖動(dòng)跟具體的應(yīng)用緊密相關(guān)。,10,嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)性能測(cè)試方法,Rhealstone方法 進(jìn)程分派延遲時(shí)間法 三維表示法,11,Rhealstone方法：,測(cè)量ERTOS中六個(gè)關(guān)鍵操作的時(shí)間，并將它們的加權(quán)和稱為Rhealstone數(shù) 1、任務(wù)切換時(shí)間(task switching time) ：即系統(tǒng)在兩個(gè)獨(dú)立的、處于就緒態(tài)并具有相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)之間切換所需要的時(shí)間。 包括三個(gè)部分： 保存當(dāng)前任務(wù)上下文的時(shí)間 調(diào)度程序選中新任務(wù)的時(shí)間 恢復(fù)新任務(wù)上

6、下文的時(shí)間。 此時(shí)間取決于1）保存任務(wù)上下文所用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2）操作系統(tǒng)采用的調(diào)度算法的效率。,12,2、搶占時(shí)間（preemption time）即系統(tǒng)將控制從低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)轉(zhuǎn)移到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)所花費(fèi)的時(shí)間。 系統(tǒng)必須首先識(shí)別引起高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒的事件，比較兩個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，確定發(fā)生搶占 搶占時(shí)間中包括了任務(wù)切換時(shí)間。 3、中斷延遲時(shí)間（interrupt latency time）即從中斷第一條指令所持續(xù)的時(shí)間間隔 由四部分組成： 硬件延遲部分(通?？珊雎圆挥?jì)) 關(guān)中斷時(shí)間 處理器完成當(dāng)前指令的時(shí)間 中斷響應(yīng)周期的時(shí)間,13,4、信號(hào)量混洗時(shí)間(semaphore shuffling time

7、)即從一個(gè)任務(wù)釋放信號(hào)量到另一個(gè)等待該信號(hào)量的任務(wù)被激活的時(shí)間延遲。 基于信號(hào)量的互斥訪問(wèn)保證了任一時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)能訪問(wèn)公共資源。 此時(shí)間反映了與互斥有關(guān)的時(shí)間開(kāi)銷 5、死鎖解除時(shí)間(deadlock breaking time)即系統(tǒng)解開(kāi)處于死鎖狀態(tài)的多個(gè)任務(wù)所需花費(fèi)的時(shí)間。 死鎖解除時(shí)間反映了RTOS解決死鎖的算法的效率。 6、數(shù)據(jù)包吞吐率(datagram throughput time)指一個(gè)任務(wù)通過(guò)調(diào)用ERTOS的原語(yǔ)，把數(shù)據(jù)傳送到另一個(gè)任務(wù)去時(shí)，每秒可以傳送的字節(jié)數(shù)。,14,進(jìn)程分派延遲時(shí)間法PDLT,Process Dispatch Latency Time 這是另一個(gè)常用的測(cè)

8、量ERTOS性能的方法 實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)任務(wù)總是等待外部事件引發(fā)的中斷來(lái)激活它。當(dāng)一個(gè)中斷產(chǎn)生后，系統(tǒng)必須迅速停止當(dāng)前運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，將控制權(quán)交給被激活的實(shí)時(shí)任務(wù)。 PDLT：從中斷的產(chǎn)生到由中斷激活的實(shí)時(shí)任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行之間的時(shí)間間隔。,15,三維表示法,有人將實(shí)時(shí)系統(tǒng)定義為：能夠從外部環(huán)境獲取輸入，處理所獲得的數(shù)據(jù)，并能在足夠快的時(shí)間內(nèi)將正確的響應(yīng)返回給外部環(huán)境的系統(tǒng)。 可將ERTOS的工作分為三個(gè)階段： 響應(yīng)傳感器或者其他輸入設(shè)備的請(qǐng)求，并獲取數(shù)據(jù)； 對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(主要由應(yīng)用程序進(jìn)行處理)； 輸出處理結(jié)果。,16,據(jù)此，ERTOS的性能可用三個(gè)特性來(lái)描述 這三個(gè)特性的最大值可分別

9、單獨(dú)測(cè)得，但這三個(gè)特性之間并不是相互獨(dú)立的，如圖,17,注意：,各種不同的方法或者文獻(xiàn)中，關(guān)于性能指標(biāo)的定義可能有細(xì)微的差異,18,Reference,Arnd C. Heursch, etc. Preemption concepts, Rhealstone Benchmark and scheduler analysis of Linux 2.4, Paper for Real-Time & Embedded Computing Conference, Milan, Nov., 2001 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)性能測(cè)試方法研究。,19,作業(yè)：,操作系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)有哪些？ 名詞解釋： Rhealstone方法 進(jìn)程分派延遲時(shí)間法PDLT 三維表示法,20,中斷（廣義）會(huì)改變處理器執(zhí)行指令的順序，通常與CPU芯片內(nèi)部或外部硬件電路產(chǎn)生的電信號(hào)相對(duì)應(yīng) 中斷異步的：由硬件隨機(jī)產(chǎn)生，在程序執(zhí)行的任何時(shí)候可能出現(xiàn) 異常同步的：在（特殊的或出錯(cuò)的）指令執(zhí)行時(shí)由CPU控制單元產(chǎn)生,設(shè)備,設(shè)備 控制器,中斷 控制器,IRQ,CPU,INTR,Linux2.4內(nèi)核的中斷處理,21,當(dāng)一個(gè)中斷信號(hào)到達(dá)時(shí)，CPU必須停止它當(dāng)前正在做的事，并且切換到一個(gè)新的活動(dòng)來(lái)響