Windows Embedded CE 6.0实时性分析

简介: Windows Embedded CE 6.0是微软公司目前最新的嵌入式操作系统之一,支持四种体系结构的MCU(ARM、MIPS、SH4和x86)。在众多的嵌入式操作系统中,它以自己独特的优势脱颖而出,在整个嵌入式操作系统的市场份额中占有很大比重。

     Windows Embedded CE 6.0是微软公司目前最新的嵌入式操作系统之一,支持四种体系结构的MCU(ARM、MIPS、SH4和x86)。在众多的嵌入式操作系统中,它以自己独特的优势脱颖而出,在整个嵌入式操作系统的市场份额中占有很大比重。相比其他嵌入式操作系统,Windows Embedded CE 6.0主要有以下特点:

  • 图形用户界面,与桌面操作系统的图形用户界面基本一致,便于用户接受;
  • 网络连接的支持,包括PAN、LAN、WAN、BlueTooth和WIFI;
  • 多媒体的支持,如DirectDraw、DirectShow、Directory3D及多种音频视频的编解码
  • 多语言的支持,可以在定制系统时选择一种或多种语言;
  • 多进程的支持,理论上支持32K个进程,满足各种应用需求;
  • 组件化的开发方式有效缩短了产品的研发周期;
  • 基于VS2005的集成开发环境,让开发更方便。

      以上这些都是我们选择Windows Embedded CE 6.0的原因,但在很多嵌入式系统的应用场合,系统的实时性至关重要。而整个系统的实时性在很大程度上取决于它所采用的操作系统。那么Windows Embedded CE 6.0的实时性到底如何,能否满足我们的应用需求,或者说Windows Embedded CE 6.0是否是一个实时操作系统?本文将根据实际应用,介绍一种在目标硬件平台上测试Windows Embedded CE 6.0实时性的方法。

      在讨论Windows Embedded CE 6.0的实时性之前,先简单介绍一下实时操作系统的概念。实时操作系统除了具有一般操作系统的基本要素外,还必须能及时准确地响应所有不可预知的外部触发,即使在系统处于尖峰负荷状态时。这是一个非常苛刻的要求。根据实际应用的场景不同,实时操作系统一般分为以下两种。

  • 硬实时操作系统:准时准确地响应所有的外部触发,一次失败将导致灾难性的后果。这类操作系统在航空航天和工业控制领域应用广泛。
  • 软实时操作系统:在不满足响应时限时,系统性能退化,但不会导致灾难性后果。这类操作系统在交换系统中经常有应用。

     这里需要注意,实时操作系统并不是一个“快速”系统,实时系统有限定的响应时间,而并非响应越快越好。事实上,响应时间可以是皮秒级的也可以是秒级的,甚至是分钟级的。只要在系统规定的时限内正确响应所有的外部触发,我们就可以认为它是一个实时操作系统,哪怕这个时限是一小时。举个例子,顾客打电话给肯德基叫外卖,肯德基在规定的30分钟内将顾客点的汉堡送达,那这个过程就可以认为是实时性的,时限为30分钟。

     从2000年发布的WinCE3.0开始,Windows Embedded CE就是一个实时操作系统。随着新版本的不断推出,Windows Embedded CE的实时性也不断提高。毋庸置疑,Windows Embedded CE 6.0也是一个实时操作系统。

通常,对于实时操作系统来说,外部触发一般是指外部中断触发。所以,外部中断的响应时间(中断延迟)是衡量其实时性的一个重要标准。下面将从这一角度分析Windows Embedded CE 6.0的实时性。

Windows Embedded CE 6.0的中断处理过程主要分为两部分:

  • 中断服务例程(ISR):处于内核中的低级处理程序,中断发生时首先被调用。
  • 中断服务线程(IST):处于驱动或者应用中的中断处理线程,由系统调度,完成大部分的中断处理工作。

     ISR的实现在OAL(OEM适配层)中,它只处理最低级的中断响应,通常是设置MCU内部的中断控制寄存器。中断处理的主要部分在驱动或者应用的中断处理线程中。中断处理线程与其他线程一样,使用同一个线程优先级管理系统。ISR和IST之间通过事件对象进行同步。IST中创建一个事件对象,并使用函数WaitForSingleObject()等待该事件被触发。ISR中通知内核触发相应的事件对象。Windows Embedded CE 6.0的中断处理的过程如下图所示。

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                  图-1 Windows Embedded CE 6.0的中断处理过程

     可以看到,从外部中断产生到IST运行,中间经历了几个环节,每一个环节都有时间开销,有些时间是基本确定的,有些时间随系统的状态不同而不同。但整个中断延迟主要可分成ISR延迟和IST延迟两部分,如图-2所示,t1为ISR延迟,t2为IST延迟。中断延迟的时间是衡量Windows mbedded CE 6.0实时性的一个重要指标。那么如何在我们系统的硬件平台上测得这个中断延迟的具体值,从而进一步分析Windows Embedded CE 6.0的实时性能否满足项目的实际应用需求。

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        图-2 Windows Embedded CE 6.0的中断延迟模型

      这是中断延迟的一个简要模型,t1是ISR延迟,t2是IST延迟,t1+t2即为中断延迟,我们需要测量和计算的就是这两个值。

Windows Embedded CE 6.0提供了一些工具软件,用来测量中断延迟,如ILTiming.exe。它需要OAL的代码支持,并且在定制系统时设置相应的编译属性,具体用法可参考Platform Builder 6.0的帮助。这里介绍一种借助硬件的测量方法,能在示波器上直观的看出中断延迟。

根据前文所述的中断处理过程以及图-2所示的中断延迟模型,可通过控制MCU的一个GPIO输出引脚来帮助测量t1和t2。具体方法如下:

1. 在OAL的OALIntrInit()函数中,设置某一GPIO为输出口,并使其输出高电平;

2. 在ISR的OEMInterruptHandler()函数中,将该GPIO设置为低电平;

3. 在IST的WaitForSingleObject()函数之后,将该GPIO设置为高电平;

4. 当外部中断触发时,GPIO会先被ISR拉低,再被IST拉高;

5. t1是外部中断下降沿触发以后,GPIO保持高电平的时间;

6. t2是GPIO保持低电平的时间;

7. t1+t2≈中断延迟时间

      实际应用的目标平台采用的MCU是S3C2410,其设置GPIO的主要代码如下。

//初始化GPIO,并设置为高

//设置GPE11为输出口

value = INREG32(&pOalPortRegs->GPECON);

OUTREG32(&pOalPortRegs->GPECON, (value & ~(3 << 22))|(1 << 22));

//设置GPE11的IO状态为高

value = INREG32(&pOalPortRegs->GPEDAT);

OUTREG32(&pOalPortRegs->GPEDAT, (value |(1 << 11)));

在ISR中设置GPIO为低的代码如下。

//将GPE11置低

mask = INREG32(&g_pPortRegs->GPEDAT);

OUTREG32(&g_pPortRegs->GPEDAT, (mask & ~(1<<11)));

驱动中的IST代码如下。

DWORD WINAPI IntrThreadProc(LPVOID ptr)

{

     while(bRun)

     {

           WaitForSingleObject(gIntrEvent, INFINITE);

           //将GPE11置高

          g_pIOPregs->GPEDAT |= (0x1 << 11);

          //RETAILMSG(1,(TEXT(“\r\nThread Run.”)));

          //Sleep(1000);

          InterruptDone(gSysIntr);

       }

       return 0;

}

      实现以上代码后,重新编译,并将操作系统下载到目标平台上。使用双通道的示波器测量中断触发引脚和GPIO的输出引脚,其中CH1测量GPIO的输出引脚,CH2测量外部中断引脚。

      在使用下降沿触发中断时,中断信号和GPIO的输出信号如图-3所示。

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                              图-3 下降沿触发时的实际波形

      从上图可以看出,t1基本可以忽略不计,t2约为1.8ms,t1+t2不到2ms,说明此时的中断延迟小于2ms。

在使用高电平中断,且IST中有输出调试信息时的波形如图-4所示。

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                    图-4 高电平触发,IST中有延时的实际波形

      从上图可以看出,t2的时间约为1.8ms,两次中断的时间间隔约为3.8ms。中断延迟小于2ms。

在使用高电平中断,且IST中没有输出调试信息时的波形如图-5所示。

clip_image009

                   图-5 高电平触发,IST中无延时的实际波形

     从上图可以看出,t2的时间大约为18μ秒,t1可以认为小于4μ秒,两次中断之间的时间间隔为22μ秒,且能够连续稳定的正确响应。这说明Windows Embedded CE 6.0内核的中断延迟可达18μ秒。当然,我们很难根据一次测量的值来判定它的最低响应时限为多少,但微秒的数量级足以说明Windows Embedded CE 6.0的实时性基本可以满足常见的各种应用。

     需要注意的是,应用系统的实时性并不完全由操作系统的实时性决定,系统的硬件结构、软件驱动和应用程序等都会影响到整个系统的实时性。另外,Windows Embedded CE 6.0虽然是实时操作系统,但它也提供了非实时的工作环境,如果定制系统时添加了非实时的相关组件,也会影响系统的实时性。

Platform Builder 6.0提供的Remote Kernel Tracker工具,可以帮助我们观察系统线程的执行情况。图-6和图-7所示是采用高电平触发,有1秒Sleep的状态截图,第一个框表示线程执行到Sleep(1000),第二个框表示等待事件被触发,红色的虚线表示线程处于阻塞的状态。

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              图-6 高电平触发,IST中有延时的状态,Sleep(1000)

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                   图-7 高电平触发,IST中有延时的状态,等待事件的触发

      以上通过测量中断延迟时间,验证了Windows Embedded CE 6.0的实时性。当然,实时操作系统的定义严格,判断一个操作系统是否为实时操作系统,还有其他一些因素,如系统的中断管理机制、线程管理机制、同步对象的支持、内存的管理等等。

      实际开发过程中,如何提高系统的实时性呢?在硬件平台、操作系统确定的前提下,我们还可以做哪些工作?通过前面的分析和实际测量,可以知道ISR的中断延迟时间很短,也很难再控制。IST的延迟受系统线程调度的影响,有进一步控制的可能。

      Windows Embedded CE 6.0使用基于优先级的时间片轮转算法对线程进行调度。对处于就绪态队列的线程,先分给优先级最高的线程以时间片,当时间片用完后,无论线程是否执行完毕,都退回就绪态队列中,等待下一次的时间片分配。

      所以,一方面,我们可以通过提高中断线程的优先级以获得更多的执行机会。Windows Embedded CE 6.0的线程有256个优先级(0~255),0的优先级最高,255的优先级最低。线程默认的优先级为251。WinCE中用来设置线程优先级的函数有两个。

CeSetThreadPriority(HANDLE hThread,int nPriority):可以设置0~255的所有优先级

SetThreadPriority(HANDLE hThread,int nPriority):只能设置8个最低的优先级(248~255)

      为了减小中断处理延迟,应使用CeSetThreadPriority()设置更高的线程优先级。函数SetThreadPriority()通常在应用程序中用来设置工作线程的优先级。

      另一方面,我们可以修改线程的时间片大小(线程额度),线程额度只会影响同一优先级的线程调度。系统默认的线程额度是100ms。线程额度被设为0意味着线程将一直执行,直到被阻塞或者被更高优先级的打断。修改线程额度有两种方法,可以在OAL的OEMInit()函数中设置dwDefaultThreadQuantum,这将修改系统默认的线程额度。也可以使用设置线程额度的函数CeSetThreadQuantum(HANDLE hThread,DWORD dwTime)来修改某一特定线程的线程额度。为了保证系统的实时性,dwDefaultThreadQuantum应该设定为一个合适的值。对实时性要求较高的中断处理线程,可以单独将它的线程额度设为0。

      以上两种方法是比较方便的处理方法,如果采用了这两种方法后,系统的实时性仍然不能满足需求,那么需要考虑其他的解决办法,主要有以下几个:

  • 将中断处理的主要部分放到ISR中,这是一种困难而又危险的做法,困难是因为ISR中能调用的系统函数有限,危险意味着处理不当会导致系统性能急剧下降。
  • 改善外部中断的触发机制,从硬件着手,如增加硬件缓冲区,减少单位时间内的中断响应次数,在IST中处理硬件缓冲区的数据,这种方法能极大提高系统的实时性。
  • 采用更高主频的MCU,提高总线访问速度。

      总之,实现一个实时系统,需要从硬件、操作系统、驱动和应用程序等各方面考虑,根据应用的需求选择合适的硬件、操作系统,在软件设计时也需要时刻考虑到实时性的要求。

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