linux实时操作系统xenomai x86平台基准测试(benchmark）

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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);
    }

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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...      <-------------/
*/

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