linux任务响应模型&linux实时化&RTAI 3.2分析&Adeos分析（10） 测试结果, linux, 通用, Linux, 模型

yuyang911220

linux实时性评测方法

在完成Linux的实时化研究和实现之后，只有对实现后的系统进行评测，才能证明研究和实现的正确性，只有通过实验数据，才能检验实现的系统是否达到了实时性的要求。
通过分别对通用Linux和实时化后的Linux进行实时性的测试，得出它们的实时性测试结果，用来检验研究实现的实时化Linux在实时性方面的改进。
从图2-1可以看出，实时性的一个重要参数就是任务响应延迟时间，它包含了其它几个重要的实时性参数（中断潜伏期时间，调度潜伏期时间等），任务响应延迟时间越短，说明任务对外部事件的响应速度越快，实时性也就越好。本课题测试的参数就是任务响应延迟时间。由于测量实时性参数与测量一般的时间参数不同，它一方面要求很高的时间测量精度（至少微秒级），这用纯软件的方法很难实现，另一方面测试方法本身也必须经过精心的设计，不能由于测试方法本身的时间误差而影响测量的精度和准确性。
所以，本课题采用硬件定时器（S3C2410的定时器精度可达0.04微秒）进行任务响应延迟时间的测量，而且对通用Linux和实时化后的Linux分别设计了测试程序，使测试程序对系统的影响降到最小；
测试所选用的系统负载主要来源于Linux Test Project，系统负载程序取自于LTP当前最新的测试包ltp-base-20051205.tgz（可以从LTP站点http://ltp.sourceforge.net获得），所选用的负载内容包括：
1）创建5个进程反复进行开平方根操作；
2）创建5个进程反复进行内存的分配和释放操作；
3）创建5个进程反复进行大文件的写操作（文件大小1GB），测试系统的根文件系统用的是NFS网络文件系统，一方面可以支持大文件的写操作，另一方面实际上也给系统增加网络负载，因为对文件系统的写操作实际上是通过网络最终写到NFS服务器上的。
4）反复创建多个进程进行进程间通信操作，主要包括消息队列、管道、信号量、共享内存、信号等。
从测试过程中可以看出，当运行以上的系统负载的时候，系统处于满负荷状态，这可以从几方面看出，一方面是系统控制台的响应速度非常慢，几乎已经无法进行交互操作了，另一方面系统会反复出现内存不足的情况，还有就是网络操作经常出现超时的情况。
对通用Linux和实时化后的Linux分别作了无负载和有负载情况下的实时性测试，测试以定时器中断来模拟外部事件，定时器每1ms产生一次中断，产生中断后测试程序进行一次测量，每次测试过程测试400万次，所以，每次测试过程持续时间大约是67分钟。
另外，测试过程中由于系统负载过重，会出现系统内存不足的情况，这时系统就会选择某些进程，将它们强行终止以获取可用内存；而测试进程在系统中占用的内存最多（4M＊8B＝32MB），每次在测试过程中测试进程都会被系统终止，无法完成测试任务。为了解决这个问题，经过分析得知，系统在内存紧缺的情况下对所要终止的进程的选择，是依据内核函数static int badness(struct task_struct*p)的返回值来确定的，而且这个函数的返回值则是以进程占用的内存数为基准的，所以，由于测试进程占用的内存相当大，才会每次被终止；为了防止测试进程被终止，对内核的badness函数进行了修改，当进程的调度策略为SCHED_FIFO（测试进程的调度策略）的时候，使它的返回值为0，这样，系统在选择要被终止的进程的时候，就不会选择测试进程了。
测试后的400万次测试结果，按测试先后时间分成200组，每组20000个数据，例如，第一个200次测试结果分别为200组的第一个数据，第二个200次测试结果分别为200组的第二个数据，以此类推。然后将这200组数据分别在同一个坐标平面内以曲线形式表现出来，得到比较直观的测试图。
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通用Linux实时性测试
测试方法
利用S3C2410的定时器Timer2来对任务响应延迟时间进行测量，整个测试程序分为内核空间（Timer2驱动程序）和用户空间两部分，驱动程序提供对定时器的操作（包括设置中断周期、读取计数值、开启/停止定时器等），用户空间程序主要是通过驱动程序提供的操作控制定时器，测量任务响应延迟时间，并记录测试结果。图5-1显示了任务响应延迟时间的测试原理（可以结合图2-1的Linux任务响应模型来理解）。



下面根据图5-1所示来阐述在普通Linux下任务响应延迟时间的测量。
先将定时器Timer2的驱动程序模块成功加载，并在系统中建立相应的设备节点，然后开始运行用户空间的测试程序，这时对应于图5-1中的t0时刻；一方面为了防止其它进程与测试程序分享CPU资源，保证测试程序能够及时的实现对定时器的操作，另一方面为了保证任务调度延迟时间测量的准确性（消除由于分时调度而引起的误差），将测试进程的调度方式设为SCHED_FIFO，将优先级设为99（最高优先级），也就是说设为Linux本身所说的实时进程，这些操作都是在图5-1中时间段①内完成的；紧接着在时间段②内通过定时器驱动程序提供的设备接口，对定时器进行设置，并开启定时器，这时定时器开始计数（每一个时钟周期减一），同时，测试进程进入等待状态（在定时器驱动程序提供的等待队列上等待，直到定时器的中断服务程序执行才将其唤醒）；
在时间段④内，测试程序处于睡眠等待状态，定时器在运行（每个时钟周期减一），系统的其它进程（系统负载）占用CPU资源而处于运行状态，负载在运行过程中，会反复的在用户空间和内核空间交替运行，而且在调用系统服务的过程中（也就是在内核空间运行的时候）也会经常进入系统的临界区（禁止CPU响应外部中断），从而会产生中断响应延迟；当系统运行到t3时刻时，定时器计数到0，开始下一个周期的运行，同时向CPU产生一个中断，请求CPU的中断处理，但这时由于中断延迟（图5-1中t3至t4的时间段）的存在，CPU很可能不能立即响应中断，直到时刻t4，CPU才开始进行定时器的中断处理；在时间段⑤内，运行定时器的中断服务程序，这个中断服务程序完成的唯一功能就是向系统纪录定时器的一次周期运行（通过变量的加一实现）并唤醒等待在定时器驱动程序队列中的进程（就是测试程序），当中断服务程序返回的时候，测试进程处于就绪状态，而且它的优先级在系统中最高，但这时由于被中断的系统负载进程很可能正处于内核空间，而在内核空间是不允许进行进程抢占的，所以直到t6时刻系统负载进程完成了系统调用，测试进程才能被开始调度运行，从测试进程处于就绪状态可以被调度运行的时刻到它实际上被调度运行的时刻之间的时间就是我们所说的调度延迟时间。
在时间段⑥，测试进程被唤醒开始运行，唤醒后立刻读取定时器当前的计数值，从图中可以看出，从定时器产生中断的时刻t3到测试进程被唤醒的时刻t6之间的时间间隔就是任务响应的延迟时间，我们可以通过进程被唤醒后所读取的定时器的计数值和定时器初始值之差来获得这个延迟时间（当然，实际实现的时候比这个复杂，因为在测试进程被唤醒之前定时器很可能已经运行了不止一个周期）。当测试进程读取完定时器的计数值，得到一次任务响应延迟时间的采样值后，再次进入睡眠等待状态，开始下一次采样。
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测试结果分析
表5-5对比显示了普通Linux和实时化Linux的实时性测试结果。

表 5-5
        普通Linux无负载        RTAI/Linux无负载        普通Linux有负载        RTAI/Linux有负载
平均值（微秒）        4.7941429        26.352688        148.60925        69.6369351
最大值（微秒）        1048.96        123.52        68568.96        506.24
最小值（微秒）        4.48        9.6        4.48        9.6
小于10微秒        99.24%        4.44%        0.03%        0.23%
小于20微秒        99.48%        68.58%        0.04%        0.55%
小于30微秒        99.70%        79.01%        0.05%        0.73%
小于40微秒        99.72%        79.33%        0.28%        1.14%
小于50微秒        99.73%        79.33%        0.54%        2.47%
小于60微秒        99.73%        79.33%        0.68%        16.35%
小于70微秒        99.94%        86.21%        19.15%        23.76%
小于80微秒        99.96%        99.55%        64.59%        96.20%
小于90微秒        99.98%        99.72%        70.27%        97.67%
小于100微秒        99.99%        99.83%        72.47%        99.18%
小于200微秒        100.00%        100.00%        82.70%        100.00%
小于500微秒        100.00%        100.00%        98.11%        100.00%
小于1毫秒        100.00%        100.00%        99.64%        100.00%
小于10毫秒        100.00%        100.00%        99.99%        100.00%
小于50毫秒        100.00%        100.00%        100.00%        100.00%
小于100毫秒        100.00%        100.00%        100.00%        100.00%


从任务响应延迟时间的最大值来看，在无负载和有负载的情况下，普通Linux分别为1048.96微秒和68568.96微秒，而RTAI+Linux则分别为123.52微秒和506.24微秒，由此可见，实时化后的系统最大任务响应延迟时间缩短了将近10倍，显著的提高了Linux对实时任务的支持程度。
从任务响应延迟时间的最小值来看，实时化Linux是普通Linux的2倍，这是由于实时化后的Linux底层的中断管理都是由Adeos来控制，然后才传递给Adoes中的域（Linux和RTAI），所以，实时化Linux的中断处理路径要比普通Linux复杂，花费的时间稍长。