基于中断响应模型的实时操作系统性能评价技术研究

摘要

随着嵌入式产业的发展与成熟，嵌入式实时操作系统作为重要的基础软件被广泛应用，对于评估实时操作系统的评估套件的需求不断增加。现有的实时操作系统性能评估套件大多关注系统任务方面的性能指标，不考虑中断等其他指标间的相互关系和影响。本文集中探讨了中断对于现有内核性能评估套件的影响。
　　 本文首先对VxWorks、RTEMS和uC/OSⅡ为代表的三类内核中断响应模型进行分析，然后选取Rhealstone和Thread-Metric作为内核性能评估套件代表，在中断频率不断提升的条件下，观察VxWorks、RTEMS、uC/OSⅡ等实时操作系统的性能表现。基于实验结果，分析中断响应模型和现有评估套件的不一致性，在此基础上，本文提出对Rhealstone和Thread-Metric的修正算法。接下来引入中断响应模型关键指标-关中断时间，并提出一种基于虚拟机的关中断时间测量方法。通过修改虚拟机，增加日志和分析模块的方法，对实时操作系统的运行时行为跟踪记录，分析关中断的时间，进而将关中断时间作为系统的中断响应模型的量化指标。
　　 本文选用真机平台作为实验环境，将修正前后的Rhealstone和Thread-Metric内核性能评估套件进行对比，实验结果证明，修正后的评估套件符合中断响应模型的分析，与系统实际性能更接近，并且被基于虚拟机的关中断时间模型所验证。

目录

文摘

英文文摘

图目录

表目录

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 RTOS中断特性分析

1.2.1 中断嵌套

1.2.2 中断上下文环境

1.2.3 中断受限资源访问

1.2.4 中断执行长度和中断发生最大频率之间的关系

1.3 常见RTOS性能指标

1.3.1 任务切换时间

1.3.2 任务抢占时间

1.3.3 中断延迟时间

1.3.4 信号量混洗时间

1.3.5 消息传输时间

1.4 本文的主要研究内容

1.5 本文的组织结构

第2章 相关工作介绍

2.1 中断性能评估定义

2.1.1 实时事件定义

2.1.2 中断事件评估方法

2.2 现有性能评估套件简介

2.2.1 Whetstone

2.2.2 Dhrystone

2.2.3 Hartstone

2.2.4 Rhealstone

2.2.5 MiBench

2.2.6 Thread-Metric

2.2.7 主要RTOS评估套件一览

2.3 本章小结

第3章 RTOS内核评估套件分析与改进

3.1 各种RTOS的中断响应模型分析

3.1.1 VxWorks的中断响应模型

3.1.2 RTEMS的中断响应模型

3.1.3 uC/OSⅡ的中断响应模型

3.1.4 中断响应能力实验

3.2 中断频率对评估套件的影响

3.2.1 Rhealstone评估方法研究

3.2.2 Thread-Metric评估方法研究

3.3 内核评估套件的结果分析

3.3.1 Rhealstone评估套件

3.3.2 Thread-Metric评估套件

3.4 对现有评估套件指标的改进

3.4.1 对Rhealstone的修正

3.4.2 对Thread-Metric的修正

3.5 本章小结

第4章 基于虚拟机的关中断时间测量

4.1 虚拟机执行流程

4.1.1 中断处理

4.1.2 取指

4.1.3 译指

4.1.4 执行

4.2 虚拟机功能扩展

4.2.1 函数地址映射表

4.2.2 事件记录功能扩展

4.2.3 日志离线分析和辅助信息获取

4.3 本章小结

第5章 试验结果与分析

5.1 内核评估套件修正试验结果和分析

5.1.1 Rhealstone对比结果

5.1.2 Thread-Metric对比结果

5.2 关中断时间实验结果

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

致谢