[TOC]
一、前言
benchmark 即基准测试。通常操作系统主要服务于应用程序,其运行也是需要一定cpu资源的,一般来说操作系统提供服务一定要快,否则会影响应用程序的运行效率,尤其是实时操作系统。所以本文针对操作系统来做一些基准测试,看看在低端x86平台上,xenomai提供我们平时常用的服务所需要的时间,清楚地了解该平台上一些xenomai服务的消耗,有时能有利于我们进一步优化程序。影响因素有:主机CPU的结构、指令集以及CPU特性、运算速度等。
目前大多商业实时操作系统会提供详细benchmark测试,比如VxWorks,目前xenomai没有这类的方式,所以借鉴VxWorks的测试方式,对xenomai进行同样测试,所以文章中的测试项命名可能在Linux开发人员看来有点别扭,切勿见怪,其中一些具体流程可见本博客另外一篇文章xenomai与VxWorks实时性对比(资源抢占上下文切换对比)。
测试环境:
CPU:Intel j1900
内存:4GB DDR3
注:测试数据仅供个人参考,单位us,每项测试次数500万次,编写测试用例使用的接口为Alchemy API,原因主要是Alchemy API比较好编写。
二、 测试数据处理
对于每个基准测试,通过在操作前读取时间戳$t1$,该操作完成后读取时间戳$t2$,$t2$与$t1$之间的差值就是测该操作的耗时。
1.1 测试注意事项
需要注意的是,由于我们是基准测试,所以$t1$~$t2$这段时间尽量不要被不相关的事务打断,比如处理不相关的中断、非测试范围内的任务抢占等。为此需要考虑如下。
① 执行测试操作的任务优先级必须最高,两个任务间交互的测试类似。
② 必须检测t1-t2之间的非相关中断,并丢弃对应的测试数据,由于我们已将非xenomai的中断隔离到其cpu0,且无其他实时设备中断,除各种异常外,剩下与xenomai相关的就是定时器中断了,所以仅对tick中断处理,如果测试过程中产生了定时器中断,则忽略这组数据,因此需要为xenomai添加一个系统调用来获取中断信息,测试前后通过该系统调用获中断信息,以此判断测试的过程中有没有中断产生。
③ 读取时间戳的操作也是需要执行时间的,所以需要从结果中减去该时间的影响,测量读取时间戳的需要的时间很简单,通过连续两次读取时间戳$a1$,$a2$,$a2-a1$就是函数 _M_TIMESTAMP()
的执行需要时间。
1.2 数据的处理
得到无误的操作耗时、测试次数后计算平均值最大值、最小值即可;
1.3 测试结构
根据以上,每个测试的流程及代码结构如下:
① 读取起始tick
② 开始测试循环
③ 读取时间戳a
④ 读取起始时间戳b
⑤ 被测试的操作
⑥读取结束时间戳c
⑦判断是否是loadrun,是则丢弃本次结果跳转到③
⑧读取tick,判断本次测试是否位于同一tick内,否则丢弃本次结果跳转到③
⑨判读耗时是都正确(a-b且b-c为正值),是则为有效值,否则丢弃本次结果跳转到③
unsigned long a;
unsigned long b;
unsigned long c;
ULONG tick;
BOOL loadRun = TRUE; /*排除cache对测试的影响,丢弃第一次测试的数据*/
tick = tickGet(); /*确保测试在同一个tick内完成*/
/*循环测试iterations次操作并统计结果*/
for (counter = 0; counter < pData->iterations; counter++)
{
a = _M_TIMESTAMP();
b = _M_TIMESTAMP(); /*起始时间*/
wd = wdCreate ();/*测试的操作*/
c = _M_TIMESTAMP(); /*结束时间*/
/*数据统计处理*/
BM_DATA_RECORD (((c >= b) && (b >= a)), c - b, b - a,
counter, tick, loadRun);
}
二、测试项
明白数据统计处理后剩下的就是其中测试的具体操作了,benchmark 分别对二值信号量(semB)、计数信号量(semC)、互斥量(semM)、读写信号量(SemRW)、任务(Task)、消息队列(msgq)、事件(event)、 中断响应(interrupt)、上下文切换(contexswitch)、时钟抖动(TaskJitter、IntJitter)在各种可能的情况下,测试该操作的耗时。
2.1 时间戳
测试读时间戳耗时bmTimestampRead
。
unsigned long a;
unsigned long b;
ULONG tick;
BOOL loadRun = TRUE; \
tick = tickGet();
for (counter = 0; counter < pData->iterations; counter++)
{
a = _M_TIMESTAMP();
b = _M_TIMESTAMP();
/* validate and record data */
BM_DATA_RECORD ((b > a), b - a, 0, counter, tick, loadRun);
}
min | avg | max |
---|---|---|
0.084 | 0.094 | 0.132 |
2.2 任务切换
2.2.1信号量响应上下文切换时间
bmCtxSempend: 同一cpu上,高优先级任务对空信号量P操作阻塞,到低优先任务激活的时间。
bmCtxSemUnpend: 同一cpu上,低优先级任务对信号量V操作到高优先任务激活的时间。
CtxSmpAffinitySemUnPend: 高低优先级任务运行于不同cpu上,高优先级任务对空信号量P操作阻塞,到低优先任务激活的时间。
CtxSmpNoAffinitySemUnPend: 不设置亲和性,随系统调度,低优先级任务对信号量V操作到高优先任务激活的时间。
min | avg | max | |
---|---|---|---|
bmCtxSempend | 2.136 | 2.193 | 2.641 |
bmCtxSemUnpend | 2.351 | 2.395 | 2.977 |
CtxSmpAffinitySemUnPend | 0.000 | 0.752 | 2.642 |
CtxSmpNoAffinitySemUnPend | 2.389 | 2.454 | 2.797 |
2.2.2消息队列响应上下文切换时间
bmCtxMsgqPend:同一cpu上,高优先级任务对空消息队列接收数据阻塞,到低优先任务激活的时间。
bmCtxMsgqUnpend:同一cpu上, 低优先级任务写消息队列到高优先任务激活的时间。
CtxSmpAffinityMsgQUnPend:高低优先级任务运行于不同cpu上,高优先级任务对空消息队列接收数据阻塞,到低优先任务激活的时间。
CtxSmpNoAffinityMsgQUnPend:不设置亲和性,随系统调度, 低优先级任务写消息队列到高优先任务激活的时间。
min | avg | max | |
---|---|---|---|
bmCtxMsgqPend | 2.496 | 2.529 | 2.833 |
bmCtxMsgqUnpend | 2.882 | 2.949 | 3.374 |
CtxSmpAffinityMsgQUnPend | 5.245 | 5.497 | 10.589 |
CtxSmpNoAffinityMsgQUnPend | 2.941 | 2.995 | 3.636 |
2.2.3事件响应上下文切换时间
bmCtxMsgqPend:高优先级任务接收事件阻塞,到低优先任务激活的时间。
bmCtxMsgqUnpend: 低优先级任务发送事件到高优先任务激活的时间。
min | avg | max | |
---|---|---|---|
bmCtxEventPend | - | - | - |
bmCtxEventUnpend | - | - | - |
CtxSmpAffinityEventQUnPend | - | - | - |
CtxSmpNoAffinityEventUnPend | - | - | - |
2.2.2.4任务上下文切换时间
bmCtxTaskSwitch:同一cpu上,优先级调度下的任务切换时间。
min | avg | max | |
---|---|---|---|
bmCtxTaskSwitch | 0.703 | 1.633 | 2.594 |
2.3 信号量(Semaphore)
1. 信号量的创建与删除
bmSemBCreate: 创建一个信号量耗时。
bmSemBDelete: 删除一个信号量耗时。
min | avg | max | |
---|---|---|---|
bmSemCreate | 10.433 | 11.417 | 12.977 |
bmSemDelete | 10.276 | 11.431 | 12.317 |
2. 信号量PV操作
SemGiveNoTask:当没有任务阻塞在信号量上时,对空信号量V操作消耗的时间。
SemGiveTaskInQ:同一CPU上,高优先级任务阻塞在信号量时,低优先级任务释放信号量操作消耗的时间。
SemTakeUnavail:单任务对不可用的信号量P操作消耗的时间。
SemTakeAvail:单任务对可用信号量非阻塞P操作消耗的时间。
bmSemGiveTake:单任务对同一信号量连续一次PV操作消耗的时间。
min | avg | max | |
---|---|---|---|
SemGiveNoTask | 0.099 | 0.110 | 0.132 |
SemGiveTaskInQ | 1.837 | 2.036 | 2.281 |
SemTakeAvail | 0.084 | 0.094 | 0.108 |
SemTakeUnavail | 0.111 | 0.125 | 0.144 |
SemGiveTake | 0.187 | 0.192 | 0.198 |
SemPrioInv | 6.531 | 6.842 | 11.968 |
2.4 互斥量(Mutex)
2.4.1 互斥量的创建与删除
MutexCreate:创建一个互斥量耗时。
MutexDelete:删除一个互斥量耗时。
2.4.2 互斥量PV操作
MutexGiveNoTask:当没有任务阻塞在mutex上时,释放mutex操作消耗的时间。
MutexGiveTaskInQ:同一CPU上,高优先级任务阻塞在mutex时,低优先级任务释放mutex操作消耗的时间。
MutexTakeUnavail:当没有mutex可用时,对mutex请求操作的耗时。
MutexTakeAvail:在mutex可用时,请求mutex消耗的时间。
MutexGiveTake:单任务对mutex连续请求释放消耗的时间。
min | avg | max | |
---|---|---|---|
MutexCreate | 2.881 | 2.947 | 3.205 |
MutexDelete | 2.039 | 2.084 | 2.209 |
MutexGiveNoTask | 0.033 | 0.044 | 0.066 |
MutexGiveTaskInQ | 0.047 | 0.117 | 0.228 |
MutexTakeAvail | 0.084 | 0.094 | 0.114 |
MutexGiveTake | 0.118 | 0.122 | 0.148 |
2.5 消息队列(Message Queue)
2.5.1 创建与删除
MsgQCreate:创建一个MsgQ需要的时间。
MsgQDelete:删除一个MsgQ需要的时间。
2.5.2 数据收发
MsgQRecvAvail:当MsgQ内有数据时,接收1Byte数据需要的时间。
MsgQRecvNoAvail:当MsgQ没有数据时,非阻塞接收1Byte数据需要的时间。
MsgQSendPend:高优先级等待数据时,发送1Byte数据需要的时间。
MsgQSendNoPend:没有任务等待数据时,发送1Byte数据需要的时间。
MsgQSendQFull:当MsgQ满时,非阻塞发送1Byte数据需要的时间。
min | avg | max | |
---|---|---|---|
MsgQCreate | 5.991 | 6.324 | 6.855 |
MsgQDelete | 3.733 | 3.849 | 4.046 |
MsgQRecvAvail | 0.240 | 0.279 | 0.396 |
MsgQRecvNoAvail | 0.216 | 0.267 | 0.349 |
MsgQSendPend | 2.401 | 2.647 | 3.902 |
MsgQSendNoPend | 1.223 | 1.262 | 1.536 |
MsgQSendQFull | 0.228 | 0.275 | 0.408 |
2.6 定时器(Alarm)
AlarmCreate:创建一个alarm的时间。
AlarmDelStarted:删除一个已经激活的alarm的时间。
AlarmDelNotStarted:删除一个未激活alarm的时间。
AlarmStartQEmpty:任务没有alarm时,start一个alarm需要的时间。
AlarmStartQEmpty:任务在已有一个 alarm的基础上,再start一个alarm需要的时间。
AlarmCancel:stop一个alarm需要的时间。
min | avg | max | |
---|---|---|---|
AlarmCreate | 4.790 | 4.937 | 7.719 |
AlarmDelStarted | 3.637 | 3.804 | 4.250 |
AlarmDelNotStarted | 3.420 | 3.523 | 4.381 |
AlarmStartQEmpty | 1.860 | 2.079 | 3.158 |
AlarmStartQFull | 1.835 | 1.897 | 2.101 |
AlarmCancel | 1.596 | 1.680 | 2.677 |
2.7 事件(Event)
EventSendSelf: 任务向自己发送一个Event需要的时间。
EventReceiveAvailable: 接收一个已产生的Event需要的时间。
EventReceiveUnavailable: 非阻塞接收一个未产生的Event需要的时间。
EventTaskSendWanted: 高优先级等待Event时,发送Event需要的时间。
EventTaskSendUnwanted: 无任务等待Event时,发送Event需要的时间。
min | avg | max | |
---|---|---|---|
EventSendSelf | 4.790 | 4.937 | 7.719 |
EventReceiveAvailable | 3.637 | 3.804 | 4.250 |
EventReceiveUnavailable | 3.420 | 3.523 | 4.381 |
EventTaskSendWanted | 1.860 | 2.079 | 3.158 |
EventTaskSendUnwanted | 1.835 | 1.897 | 2.101 |
2.8 任务(Task)
2.8.1 任务创建激活
TaskSpawn: 创建并激活一个任务需要的时间。
TaskDelete:删除一个任务需要的时间。
TaskInit:创建一个任务需要的时间。
TaskActivate:激活新创建的任务需要的时间。
2.8.2 任务调度控制
TaskSuspendReady:对一个已经处于ready状态的任务suspend操作需要的时间。
TaskSuspendPend:对一个等待资源处于pend状态的任务进行suspend操作需要的时间。
TaskSuspendSusp:对刚创建的处于Suspend任务 执行Suspend操作需要的时间。
TaskSuspendDelay:对一个处于sleep任务进行suspend操作需要的时间。
TaskResumeReady:对一个处于Ready状态的任务进行Resume操作需要的时间。
TaskResumePend:对一个等待资源处于pend状态的任务进行Resume操作需要的时间。
TaskResumeSusp:对一个处于Suspend状态的任务进行Resume操作需要的时间。
TaskResumeDelay:对一个处于sleep任务进行Resume操作需要的时间。
TaskPrioritySetReady:对一个处于Ready状态任务修改优先级操作需要的时间。
TaskPrioritySetPend:对一个处于pend状态任务修改优先级操作需要的时间。
bmTaskCpuAffinityGet:获取任务的亲和性需要的时间。
bmTaskCpuAffinitySet:设置任务的亲和性需要的时间。
min | avg | max | |
---|---|---|---|
TaskSpawn(1000万次) | 150.649 | 153.859 | 1162.041 |
TaskDelete(1000万次) | 136.074 | 145.766 | 189.952 |
TaskInit(1000万次) | 178.703 | 185.015 | 436.639 |
TaskActivate | 1.052 | 1.336 | 2.986 |
TaskSuspendReady | 1.404 | 1.444 | 1.681 |
TaskSuspendPend | 0.035 | 1.392 | 1.561 |
TaskSuspendSusp | 0.151 | 0.155 | 0.321 |
TaskSuspendDelay | 1.356 | 1.401 | 1.525 |
TaskResumeReady | 0.146 | 0.155 | 0.487 |
TaskResumePend | 0.756 | 0.802 | 0.877 |
TaskResumeSusp | 0.204 | 0.248 | 0.324 |
TaskResumeDelay | 0.180 | 0.228 | 0.300 |
TaskPrioritySetReady | 18.925 | 21.002 | 21.855 |
TaskPrioritySetPend | 19.046 | 21.014 | 28.296 |
TaskCpuAffinityGet | - | - | - |
TaskCpuAffinitySet | 8.332 | 9.541 | 19.808 |
Cyclic:如下操作的流程循环一次的耗时,图中M表示mutex,B表示Semaphore。
/*
Higher Priority Lower Priority
Task1 Task2
=============== ==============
semTake(M)
semGive(M)
|
V
semGive(B)
semTake(B)
|
V
semTake(B)
\
\
\-------------> semTake(M)
semGive(B)
/
/
semTake(M) <-------------/
\
\
\-------------> semGive(M)
/
/
semGive(M) <-------------/
|
V
taskSuspend() <-------------/
\
\
\-------------> taskResume()
/
/
msgQSend() <-------------/
msgQReceive()
|
V
msgQReceive()
\
\
\-------------> msgQSend()
/
/
taskDelay(0) <-------------/
|
V
eventReceive()
\
\
\-------------> eventSend()
/
/
repeat... <-------------/
*/
min | avg | max | |
---|---|---|---|
Cyclic | 33.589 | 34.409 | 36.471 |
版权声明:本文为本文为博主原创文章,转载请注明出处。如有问题,欢迎指正。博客地址:https://www.cnblogs.com/wsg1100/