CN101221528B - 一种嵌入式操作系统调度性能的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种嵌入式操作系统调度性能的测试方法，包括：通过负载控制设置接口(101)预先设置对应测试参数，创建主测试任务(103)和辅助测试任务(102)，通过在测试任务切换前后记录系统时钟滴答数来计算测试任务间调度的任务切换时间，在测试过程中调用负载调节模块(104)调节负载占用。通过这种方法，可以方便地测试不同负载情况下被测操作系统(105)的调度性能。

Description

一种嵌入式操作系统调度性能的测试方法

技术领域

本发明涉及性能测试领域，具体涉及一种嵌入式操作系统调度性能的测试方法。

背景技术

随着计算机技术的高速发展和芯片制造工艺的不断进步，嵌入式实时操作系统的研究和应用日益广泛，随着国内外各种嵌入式产品的进一步开发和推广，嵌入式技术越来越和人们的生活紧密结合，从科学研究、工程设计、军事技术、到工业控制，从洗衣机、电冰箱、电动车、小汽车，到办公室里的远程会议系统等等人们日常生活的方方面面、各个领域都有它的身影。由于嵌入式时实操作系统种类繁多，因而在实际应用中，如何设计和选择嵌入式时实操作系统，确定其是否能够满足所需的应用要求成为了一个棘手的问题，需要有一种有效的方法对它们的各个方面的性能进行对比测试，以选择符合要求的系统。

实时系统是指能够在确定的时间内执行计算和处理功能并对外部的异步事件做出响应的计算机系统，在系统硬件已经确定的条件下，实时系统的性能完全取决于所使用的实时操作系统。商用的嵌入式实时操作系统一般包含以下几个方面的管理功能：调度管理、内存管理、文件管理、设备管理和通信管理，其中，调度管理无疑是嵌入式实时操作系统中最核心、最关键的部分，调度效率直接影响到嵌入式操作系统的实时性能，衡量一个实时操作系统最重要的指标就是调度的任务切换时间。

现有技术中检索到两个相关的专利文献，但都没有提出针对嵌入式操作系统调度性能的测试方法，没有提出任务切换时间的性能结果的获取办法。

中国发明专利“一种中央处理器系统性能测试方法”，专利申请号200610087282.9，公开号CN1983201，公开了一种CPU系统性能测试方法，根据操作系统管理内存的特点不断分配内存块直到占用全部内存，然后使用现有的内存单元测试方法进行循环测试，该方法存在以下不足：一、由于测试方法本身侧重于内存访问测试，未能解决任务切换时间的调度性能测试问题；二、在该专利的实现中使用循环方式进行测试，虽然可以保持长时间的中央处理单元Central Processing Unit，简称CPU和内存的高占用率，但对占用率本身没有提出控制方法，只能进行极限情况下的性能测试。

中国发明专利“CPU性能测试的方法”，专利申请号01103484.X，公开号CN1369798，提出了一种利用软件来进行CPU性能测试的方法，通过一标志测试单元、一算术测试单元和一逻辑测试单元，分别对CPU的标志、算术和逻辑进行测试，但是未能提出对操作系统软件层面上进行性能测试的方法，没有解决操作系统调度性能测试的问题。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种嵌入式操作系统调度性能的测试方法，通过该方法，可以对操作系统在各种不同负载下任务切换时间的调度性能进行较高精度的软件测试。

本发明的上述技术问题这样解决，提供一种嵌入式操作系统调度性能的测试方法，利用测试软件，包括以下步骤：

1.1)通过负载控制设置接口预先设置对应测试参数；

1.2)创建辅助测试任务和主测试任务；

1.3)在主测试任务和辅助测试任务之间通过互发消息完成任务切换，根据切换前后记录的被测操作系统的系统时钟滴答数计算调度的任务切换时间；

1.4)测试结束，输出测试结果；

其中，所述步骤1.3)具体包括以下步骤：

5.1)主测试任务记录被测操作系统当前的系统时钟滴答数，通过任务间消息发送接口发送消息至辅助测试任务；

5.2)辅助测试任务收到主测试任务发来的消息后，记录被测操作系统当前的系统时钟滴答数，计算从主测试任务发送消息到辅助测试任务接收到该消息的系统时钟滴答数差值，用该差值除以CPU时钟频率作为主测试任务到辅助测试任务的任务切换时间；

5.3)辅助测试任务延时Ts后发送消息至主测试任务，记录被测操作系统当前的系统时钟滴答数；所述Ts是指主测试任务和辅助测试任务间发送消息的间隔时间；

5.4)主测试任务收到辅助测试任务发来的消息后，记录被测操作系统当前的系统时钟滴答数，计算从辅助测试任务发送消息到主测试任务接收到该消息的系统时钟滴答数差值，用该差值除以CPU时钟频率作为辅助测试任务到主测试任务的任务切换时间。

按照本发明提供的测试方法，所述负载控制设置接口包括负载占用率设置接口、CPU占用率设置接口和测试次数设置接口，其中负载占用率设置接口是所述负载控制设置接口中的预留接口。

按照本发明提供的测试方法，所述步骤1.1)中当通过负载控制设置接口设置了负载占用率参数时，所述步骤1.1)和步骤1.2)之间还包括：调用负载调节模块调节负载占用率使其达到设置的负载占用率参数期望值。

按照本发明提供的测试方法，所述步骤1.2)中创建辅助测试任务和主测试任务是通过调用被测操作系统的系统调用功能完成的。

按照本发明提供的测试方法，在所述步骤5.1)之前，辅助测试任务处于等待主测试任务发送消息的阻塞状态，主测试任务处于判断测试是否开始的循环等待工作状态。

按照本发明提供的测试方法，所述步骤5.4)还包括：在主测试任务中，将通过负载控制设置接口设置的CPU占用率参数和被测操作系统当前CPU占用率进行比较来判断CPU占用率是否达标，当判定CPU占用率不达标时，调用负载调节模块增大所述延时Ts使CPU占用率降低或者通过减少所述延时Ts使CPU占用率提高来调节测试过程中的CPU占用率使其达标。

按照本发明提供的测试方法，所述当前CPU占用率是在主测试任务中使用被测操作系统的系统调用功能获取的。

按照本发明提供的测试方法，所述步骤5.4)还包括：在主测试任务和辅助测试任务中将CPU占用率达标情况下统计的测试完成次数与通过负载控制设置接口设置的测试次数参数进行比较来判断测试过程是否结束。

本发明提供的一种嵌入式操作系统调度性能的测试方法，通过在测试任务切换前后记录系统时钟滴答数来计算测试任务间的任务切换时间，方便简单，能达到较高的精度；进一步，通过负载调节模块调整测试过程中的CPU占用率使之达到期望值，从而可以得到不同负载情况下的调度性能，为评估嵌入式操作系统间的调度性能提供了比较依据；进一步，在负载控制设置接口预留了其它负载调节的设置接口，方便在实际应用中根据需要增加其它的方面的负载调节，具有较好的扩充性；进一步，本发明提供的方法在其他操作系统中也可以应用，如个人计算机操作系统、网络操作系统、实时操作系统等，还同样适用于操作系统其它方面性能测试，如信号量交替延迟时间测试等。

附图说明

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。

图1是本发明嵌入式操作系统调度性能测试软件结构示意图。

图2是本发明嵌入式操作系统调度性能测试软件实施流程示意图。

图3是本发明主测试任务、辅助测试任务实施流程示意图。

图4是本发明CPU占用率达标判定及调节实施流程示意图。

具体实施方式

本发明嵌入式操作系统调度性能测试软件结构如图1所示，包括：

负载控制设置接口101，用以完成本发明的用户接口界面，设置测试所需的各种参数，可以包括多个负载设置接口，如：设置其他负载占用率、设置CPU占用率、设置测试次数；其中，负载占用率设置接口可以预留，可以扩充，也可以裁剪掉。

测试任务A，即调度测试中的主测试任务103，测试任务B，即调度测试中的辅助测试任务102，是调度性能测试的两个主体任务，完成任务切换时间的计算。两个测试任务的优先级可以根据不同的需求自行确定，但一般两个测试任务优先级应相同。

测试任务B用于完成测试任务A到测试任务B的任务切换时间计算，发起测试任务B到测试任务A的任务切换。

测试任务A用于完成测试任务B到测试任务A的任务切换时间计算，发起测试任务A到测试任务B的任务切换；

任务切换时间的计算采用的方法是获取任务切换前后的系统时钟计算差值。操作系统的时钟一般由硬件芯片产生，这个时钟脉搏是操作系统的心跳，其性能和稳定性直接决定着整个嵌入式操作系统的性能。由于测试任务发送消息的速度很快，所以要求时钟周期越短越好，本发明对任务切换时间的计算采用记录任务切换过程中系统时钟滴答数的方法实现，实际应用中也可以依据不同的硬软件情况进行调整。

负载调节模块104负责调节负载占用，控制测试过程中的负载占用情况，使之达到用户的期望，如：调节CPU占用率，通过调整任务间消息发送的间隔时间来控制CPU占用率，间隔时间缩短则CPU占用率上升，间隔时间延长则CPU占用率下降；调节测试次数，可以控制测试过程中测试任务的切换次数，通过调节测试次数可以最终取得不同数量的任务切换时间测试结果样本；与负载控制设置接口101中预留的负载占用率设置接口相对应，负载调节模块104也预留调节其它负载占用的实现内容，同样可以扩充或裁减。

被测操作系统105为本发明的被测试对象，但是本发明测试方法不局限于嵌入式操作系统，在其他操作系统也可以应用，如个人计算机操作系统、网络操作系统、实时操作系统等，只要符合本发明方法的都可以应用。

本发明嵌入式操作系统调度性能测试软件实施流程图如图2所示，包括以下步骤：

步骤201、设置负载占用率，该步骤为负载控制设置接口101中的预留接口，可以扩充也可以裁减掉，在本发明中初始时为空接口，使用者根据需要实现该接口处理，原则上该部分处理的负载应该能够影响调度性能的测试结果，但在测试过程中其占用率不发生改变。

步骤202、调节负载占用率，该步骤为预留处理，使用者根据需要实现其处理过程，调用负载调节模块104的调节其它负载负载占用功能，完成其它负载的调整，使用原则同上。

步骤203、设置CPU占用率，该步骤为用户提供期望的CPU占用率的设置接口，从而实现依据用户期望，获取不同CPU占用率下相应的调度性能测试。CPU占用率的调节通过调整任务间消息发送的间隔时间来控制，如果用户不关心CPU占用率对调度性能的影响，此处也可以不设置，那么调度性能测试运行时的CPU占用率就为100％，如果用户此时想获得CPU占用率为80％下的调度性能，则使用CPU占用率设置接口设置期望CPU占用率为80％，后续的测试任务A、测试任务B通过负载调节模块104控制任务间消息发送的间隔时间来实现CPU占用率的调节，延长间隔时间，CPU占用率就会下降，达到期望值后进行调度性能测试。

步骤204、设置测试次数，该步骤是为了取得不同数量的测试结果样本，为了测试数据的准确性，在测试时往往会多次测试，以减少偶然误差的影响，此处为用户提供了测试次数设置接口，后续的测试任务A、测试任务B使用该测试次数，完成相应数量测试结果的获取。

步骤205、创建辅助测试任务102，即测试任务B，使用嵌入式操作系统提供的系统调用功能完成该任务的创建。测试任务B完成接收测试任务A发来的消息，计算从测试任务A发送消息到测试任务B接收到该消息的系统时钟的滴答数，这个系统时钟滴答数所对应的时间就是测试任务A切换到测试任务B的间隔时间，也就等于测试任务A切换到测试任务B的任务切换时间。

步骤206、创建主测试任务103，即测试任务A，使用嵌入式操作系统提供的系统调用完成该任务的创建。测试任务A完成发送消息到测试任务B，并接收测试任务B发来的消息，计算测试任务B到测试任务A的任务切换时间，并通过负载调节模块104调节CPU占用率的影响因素，测试任务B辅助测试任务A完成CPU占用率的调节，让用户得到期望CPU占用率情况下的调度性能测试结果。

步骤207、开始测试，实现测试过程的启动，进入到测试运行。

步骤208、测试结束输出结果，完成测试过程的停止，得到了期望CPU占用率、期望测试次数下的调度性能测试结果。

本发明调度性能主测试任务103、辅助测试任务102实施流程如图3所示，包括以下步骤：

步骤301、创建测试任务B，即辅助测试任务102，完成该任务的初始化过程，使该任务进入工作状态。

步骤302、测试任务B使自身进入等待接收主测试任务103发来消息的阻塞状态，让出CPU。

步骤303、创建测试任务A，即主测试任务103，完成该任务的初始化过程，使该任务进入工作状态。

步骤304、测试任务A判断是否开始测试，如果没有开始，则循环等待；如果开始测试，则获取到当前的系统时钟滴答数，记为t1。

步骤305、测试任务A调用任务间消息发送接口发消息到测试任务B。

步骤306、测试任务A使自身进入等待接收测试任务B发来消息的阻塞状态，让出CPU。

步骤307、测试任务B接收到测试任务A发来的消息，判断该消息合法后，获取到当前的系统时钟滴答数，记为t2。

步骤308、测试任务B计算测试任务A到测试任务B的切换时间Tab，从测试任务A发消息到测试任务B，任务也从测试任务A切换到了测试任务B，测试任务A在发送消息到测试任务B之前记录了当时的系统时钟滴答数t1，测试任务A切换到测试B后，测试任务B记录了当前的系统时钟滴答数t2，t1到t2这段时间就是测试任务A切换到测试任务B的时间，这段时间记为Tab。计算公式为Tab＝(t2-t1)/f，其中f为CPU时钟频率。

步骤309、测试任务B延时Ts，并让出CPU。此步骤实际为CPU占用率的调节执行过程，通过延长或缩短两次测试之间的间隔时间，来达到降低或升高CPU占用率的目的。

步骤310、测试任务B延时结束重新获得CPU后，获取到当前的系统时钟滴答数，记为t3。

步骤311、测试任务B调用任务间消息发送接口发消息到测试任务A。

步骤312、测试任务B判断是否停止测试，如果测试任务B满足设定测试次数的条件，则跳到步骤319，输出测试结果；如果还不满足设定测试次数的条件，则跳到步骤302，继续等待接收测试任务A发来的消息。

步骤313、测试任务A接收到测试任务B发来的消息，判断该消息合法后，获取到当前的系统时钟滴答数，记为t4。

步骤314、测试任务A计算测试任务B到测试任务A的切换时间Tba，测试任务B在发送消息到测试任务A之前记录了当时的系统时钟滴答数t3，测试任务B切换到测试A后，测试任务A记录了当前的系统时钟滴答数t4，t3到t4这段时间就是测试任务B切换到测试任务A的时间，这段时间记为Tba。计算公式为Tba＝(t4-t3)/f，其中f为CPU时钟频率。

步骤315、测试任务A判断是否停止测试，如果测试任务A满足设定测试次数，则跳到步骤319，计算输出结果；否则，跳到步骤316。

步骤316、测试任务A判断CPU负载是否达标，如果测试任务A满足设定的CPU占用率的条件，跳到步骤318；如果不满足则执行步骤317，调节CPU占用率。

步骤317、测试任务A调节CPU占用率。此步骤主要是改变两次测试的时间间隔大小，缩小或是延长时间间隔Ts来调节CPU占用率。完成调节CPU占用率后，跳转到步骤304，重新执行流程。

步骤318、测试任务A统计处理测试次数，累计CPU占用率达标情况下完成的测试次数，在步骤312和步骤315中会使用该测试次数判定测试过程是否结束。

步骤319、测试结束输出结果，将CPU占用达标情况下测试获得的任务切换时间Tab和Tba输出给用户，流程结束。

如图4所示，详细描述了如何判定CPU占用达标和调节CPU占用，本发明CPU占用达标判定及调节包括：

步骤401、获取系统当前的CPU占用率，使用嵌入式操作系统提供的系统调用功能获得当前的CPU占用率。

步骤402、负载达标判断，比较用户设置的CPU占用率的期望值与步骤401中获取的当前的CPU占用率，如果差值小于一定范围则认为负载达标，跳转到步骤403，否则，跳转到步骤404，进行CPU占用调节。

步骤403、负载达标后继续图3中步骤318测试次数的处理。

步骤404、判断当前CPU占用率是否大于用户的期望值，如果大于则跳转到步骤405，增大两次测试之间的延时Ts，否则跳转到步骤406，减小两次测试之间的延时。

步骤405、增大延时Ts，增加的是两次测试中间的间隔时间，间隔时间增大，可以使CPU占用率降低。此处可以采用不同的算法计算增大延时的大小，一般可以使用固定步长的方法，或折半查找的方法等，采用的具体算法本发明不限定。

步骤406、减小延时Ts，减小的是两次测试中间的间隔时间，间隔时间减小，可以使CPU占用率升高，采用算法同上。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种嵌入式操作系统调度性能的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.1)通过负载控制设置接口(101)预先设置对应测试参数；

1.2)创建辅助测试任务(102)和主测试任务(103)；

1.3)在主测试任务(103)和辅助测试任务(102)之间通过互发消息完成任务切换，根据切换前后记录的被测操作系统(105)的系统时钟滴答数计算调度的任务切换时间；

1.4)测试结束，输出测试结果；

其中，所述步骤1.3)具体包括以下步骤：

5.1)主测试任务(103)记录被测操作系统(105)当前的系统时钟滴答数，通过任务间消息发送接口发送消息至辅助测试任务(102)；

5.2)辅助测试任务(102)收到主测试任务(103)发来的消息后，记录被测操作系统(105)当前的系统时钟滴答数，计算从主测试任务(103)发送消息到辅助测试任务(102)接收到该消息的系统时钟滴答数差值，用该差值除以CPU时钟频率作为主测试任务(103)到辅助测试任务(102)的任务切换时间；

5.3)辅助测试任务(102)延时Ts后发送消息至主测试任务(103)，记录被测操作系统(105)当前的系统时钟滴答数；所述Ts是指主测试任务(103)和辅助测试任务(102)间发送消息的间隔时间；

5.4)主测试任务(103)收到辅助测试任务(102)发来的消息后，记录被测操作系统(105)当前的系统时钟滴答数，计算从辅助测试任务(102)发送消息到主测试任务(103)接收到该消息的系统时钟滴答数差值，用该差值除以CPU时钟频率作为辅助测试任务(102)到主测试任务的任务切换时间。

2.根据权利要求1所述测试方法，其特征在于，所述负载控制设置接口(101)包括负载占用率设置接口、CPU占用率设置接口和测试次数设置接口，其中负载占用率设置接口是所述负载控制设置接口(101)中的预留接口。

3.根据权利要求1所述测试方法，其特征在于，所述步骤1.1)中当通过负载控制设置接口(101)设置了负载占用率参数时，所述步骤1.1)和步骤1.2)之间还包括：调用负载调节模块(104)调节负载占用率使其达到设置的负载占用率参数期望值。

4.根据权利要求1所述测试方法，其特征在于，所述步骤1.2)中创建辅助测试任务(102)和主测试任务(103)是通过调用被测操作系统(105)的系统调用功能完成的。

5.根据权利要求1所述测试方法，其特征在于，在所述步骤5.1)之前，辅助测试任务(102)处于等待主测试任务(103)发送消息的阻塞状态，主测试任务(103)处于判断测试是否开始的循环等待工作状态。

6.根据权利要求1所述测试方法，其特征在于，所述步骤5.4)还包括：在主测试任务(103)中，将通过负载控制设置接口(101)设置的CPU占用率参数和被测操作系统(105)当前CPU占用率进行比较来判断CPU占用率是否达标，当判定CPU占用率不达标时，调用负载调节模块(104)增大所述延时Ts使CPU占用率降低或者通过减少所述延时Ts使CPU占用率提高来调节测试过程中的CPU占用率使其达标。

7.根据权利要求6所述测试方法，其特征在于，所述当前CPU占用率是在主测试任务(103)中使用被测操作系统(105)的系统调用功能实时获取的。

8.根据权利要求1所述测试方法，其特征在于，所述步骤5.4)还包括：在主测试任务(103)和辅助测试任务(102)中将CPU占用率达标情况下统计的测试完成次数与通过负载控制设置接口(101)设置的测试次数参数进行比较来判断测试过程是否结束。

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