CN111008100A - linux实时操作系统中断响应时间测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于信息处理技术领域，公开了一种linux实时操作系统中断响应时间测试系统及方法，对应用程序传递测试参数，测试间隔、测试时长；测试应用根据设置控制内核中的驱动向目标CPU发送中断，阻塞等待驱动完成一次测试，驱动完成本次测试会唤醒测试任务并返回测试结果，测试任务唤醒后将结果交给数据处理模块统计处理保存，根据设置重复；驱动加载后将中断号irq与对应的中断处理函数handler注册到目标测试系统，并创建一个监控中断处理是否完成的内核线程。本发明的测试简单高效，更接近于真实应用环境；可以去除复杂的外部辅助设备，节省人力时间、提高测试效率，节省设备资源。

Description

linux实时操作系统中断响应时间测试系统及方法

技术领域

本发明属于信息处理技术领域，尤其涉及一种linux实时操作系统中断响应时间测试系统及方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：实时系统分为两类：软实时系统和硬实时系统。硬实时系统在航空航天、工业自动化、数控加工和医疗器械等对操作系统实时性要求较高的应用领域广泛应用，如果系统出现差错将带来重大损失或不可预料的后果。linux作为一种通用操作系统，设计之初就没有考虑系统的实时性，无法满足硬实时应用要求。但基于linux内核开源、体积小、可裁剪、易开发等优点，人们对linux进行了硬实时改造，诞生了许多基于linux的硬实时实现方案，如RTAI、xenomai、PREEMPT-RT等。

中断响应时间是影响实时操作系统性能的关键因素之一，也是反映操作系统实时的重要指标。中断响应时间＝中断延迟时间+保存CPU状态的时间+该内核的ISR进入函数的执行时间+开始执行中断服务例程(ISR)的第一条指令时间。通俗地说：中断产生到内核执行中断服务程序第一条指令的时间。中断响应时间的精确测量，传统的操作系统中断响应测量采用外部设备(信号发生器)产生激励信号a，同时激励信号会从示波器A通道输入，目标系统产生中断后，中断处理函数中输出信号b，信号b从示波器B通道输入，在示波器上就会显示目标系统输出信号b与激励信号a的波形，从波形中测量的偏移T就是该目标系统的中断响应时间。这样的测量需要外部设备，测量数据无法保存且无法进行长时间持续测试，测量样本太少，就不能正确评价系统的硬实时性能，实际应用时将带来严重后果。

现有技术一应用FPGA的嵌入式实时操作系统时间性能测试系统，为准确测量嵌入式实时操作系统的时间性能指标，本发明提供了一种嵌入式操作系统时间性能测量系统，其通过FPGA触发激励信号及测量参数配置，目标机上时间性能测试程序运行，FPGA接收响应信号，FPGA计算时间间隔，时间间隔数据存储和数据据转发至上位机，上位机进行时间性能分析。所述时间性能测试系统分为FPGA模块和被测端模块；所述FPGA模块包括：工作指令信号生成模块、第一时间记录模块、响应信号接收模块、第四时间记录模块、第一时间间隔运算模块、存储模块；所述被测端模块包括：工作任务执行模块响应信号生成模块；其中，所述工作指令信号生成模块用于向目标机提供工作指令信号，第一时间记录模块用于记录下发出工作指令信号时的第一时间，作为时间测量起始点；所述工作任务执行模块用于在目标机接收到工作指令信号后，根据工作指令信号执行对应工作任务；所述响应信号生成模块用于在工作任务执行模块完成工作任务后，生成响应信号，并输出；所述响应信号接收模块用于接收所述响应信号；所述第四时间记录模块用于采用FPGA模块自身的时间基准进行计数，记录下所述响应信号的接收时间，即第四时间，作为时间测量终止点；所述第一时间间隔运算模块用于对第一时间和第四时间之间的时间间隔进行运算，获得第一时间间隔；所述存储模块对测量的多组时间间隔数据进行存储并转发至上位机；然后由上位机对收到的时间间隔数据进行统计分析，获得时间性能测试结果。

现有技术二应用FPGA的嵌入式实时操作系统时间性能测试方法。为准确测量嵌入式实时操作系统的时间性能指标，本发明提供了一种嵌入式操作系统时间性能测量方法，包括步骤：FPGA触发激励信号及测量参数配置，目标机上时间性能测试程序运行，FPGA接收响应信号，FPGA计算时间间隔，时间间隔数据存储和数据据转发至上位机，上位机进行时间性能分析。基于时间性能测试系统来实施，所述时间性能测试系统分为FPGA模块和被测端模块；所述 FPGA模块包括：工作指令信号生成模块、第一时间记录模块、响应信号接收模块、第四时间记录模块、第一时间间隔运算模块、存储模块；所述被测端模块包括：工作任务执行模块响应信号生成模块；所述时间性能测试方法包括如下步骤：步骤1：所述工作指令信号生成模块向目标机提供工作指令信号，第一时间记录模块记录下发出工作指令信号时的第一时间，作为时间测量起始点；步骤2：所述目标机接收到工作指令信号，工作任务执行模块根据工作指令信号执行对应工作任务，工作任务完成后，响应信号生成模块生成响应信号，并输出；步骤3：响应信号接收模块接收所述响应信号；步骤4：所述第四时间记录模块采用FPGA模块自身的时间基准进行计数，记录下所述响应信号的接收时间，即第四时间，作为时间测量终止点；步骤5：第一时间间隔运算模块对第一时间和第四时间之间的时间间隔进行运算，获得第一时间间隔；存储模块对测量的多组时间间隔数据进行存储并转发至上位机；步骤6：上位机对收到的时间间隔数据进行统计分析，获得时间性能测试结果。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)传统中断响应测试需要示波器、信号发生器等设备辅助，操作复杂，每次测试需要设备操作人员参与、每次测量耗时长、需要人为记录的问题。

(2)传统测试测试数据无法保存、无法长时间持续测试，导致不能正确评价系统的硬实时性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种linux实时操作系统中断响应时间测试系统及方法。

本发明是这样实现的，一种linux实时操作系统中断响应时间测试方法，所述linux实时操作系统中断响应时间测试方法包括以下步骤：

第一步，对应用程序传递测试参数，测试间隔、测试时长；测试应用根据设置控制内核中的驱动向目标CPU发送中断，阻塞等待驱动完成一次测试，驱动完成本次测试会唤醒测试任务并返回测试结果，测试任务唤醒后将结果交给数据处理模块统计处理保存，根据设置重复；

第二步，驱动加载后将中断号irq与对应的中断处理函数handler注册到目标测试系统，并创建一个监控中断处理是否完成的内核线程。

进一步，所述linux实时操作系统中断响应时间测试方法根据处理器架构和内核版本，使用一个系统未使用的中断号；修改内核，添加该中断及中断服务程序ISR，ISR中调用目标操作系统中断子系统入口，产生该中断时，中断被目标系统处理。

进一步，所述linux实时操作系统中断响应时间测试方法驱动工作时，接收测试应用程序命令，执行中断发送行为，并保存此时硬件定时器时间t0；目标系统处理CPU接收的中断irq然后执行中断处理函数handler，中断处理函数保存当前硬件定时器时间t1，并通知内核监控线程，监控线程唤醒测试应用并返回本次测试结果t1-t0。

进一步，所述linux实时操作系统中断响应时间测试方法每次测试结果交给测试任务中数据统计模块进行统计，按用户设定的测试时长测试后，直接输出测试结果，本次测试的中断响应时间总次数、最大值、最小值、平均值信息，将统计的数据分布输出到文件。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述linux实时操作系统中断响应时间测试方法的linux实时操作系统中断响应时间测试系统，所述linux实时操作系统中断响应时间测试系统包括：

测试应用参数设置模块，用于对应用程序传递测试参数，测试间隔、测试时长的设置；

驱动加载模块，用于实现驱动加载后将中断号与对应的中断处理函数注册到目标测试系统，并创建一个监控中断处理是否完成的内核线程。

进一步，所述测试应用参数设置模块包括：

中断发送单元，用于根据设置控制内核中的驱动向目标CPU发送中断，阻塞等待驱动完成一次测试；

唤醒测试单元，用于实现驱动完成本次测试会唤醒测试任务并返回测试结果；

数据处理单元，用于将测试任务唤醒后将结果交给数据处理模块统计处理保存，根据设置重复；

内核修改单元，用于根据处理器架构和内核版本，使用一个系统未使用的中断号；修改内核，添加该中断及中断服务程序ISR，ISR中调用目标操作系统中断子系统入口。

进一步，所述内核修改单元产生该中断时，中断就能被目标系统处理。

进一步，所述驱动加载模块包括：

应用程序接收单元，用于实现驱动正常工作时，接收测试应用程序命令；

硬件定时器时间保存单元，用于实现执行中断发送行为，并保存此时硬件定时器时间；

中断处理单元，用于实现目标系统处理CPU接收的中断然后执行中断处理函数，中断处理函数保存当前硬件定时器时间，并通知内核监控线程；

测试结果反馈单元，用于实现监控线程唤醒测试应用并返回本次测试结果。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述linux实时操作系统中断响应时间测试方法的信息数据处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的linux实时操作系统中断响应时间测试方法。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明解决了传统中断响应测试需要示波器、信号发生器等设备辅助，操作复杂，每次测试需要设备操作人员参与、每次测量耗时长、需要人为记录的问题。解决了传统测试测试数据无法保存、无法长时间持续测试，导致不能正确评价系统的硬实时性能的问题。

本发明的测试简单高效，更接近于真实应用环境。通过本发明，不仅可以去除复杂的外部辅助设备，节省资源，还可以自定义中断响应测试频率、测试时间、并对每次测试结果进行统计保存，测试结束时直接给出测试结果，省去传统方法中的设备、人为记录统计的时间，提高了系统测试效率。采用软件方法，结合现代处理器中断控制器特性和Linux操作系统，实现对基于Linux的实时操作系统的中断响应测试更简单方便，节省人力时间、提高测试效率，节省设备资源的目的。

表1本发明与对比文件1和2的对比

本发明的测试方法针对基于Linux的实时操作系统，包括Linux；无需外部设备；实现简单。去除复杂的外部辅助设备，节省资源、通用、直接给出测试结果，实现简单，提高了系统测试效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的linux实时操作系统中断响应时间测试系统的结构示意图；

图中：1、测试应用参数设置模块；2、驱动加载模块。

图2是本发明实施例提供的linux实时操作系统中断响应时间测试方法流程图。

图3是本发明实施例提供的linux实时操作系统中断响应时间测试系统的原理示意图。

图4是本发明实施例提供的linux实时操作系统中断响应时间测试方法实现流程图。

图5是本发明实施例提供的测试示例示意图。

图6是本发明实施例提供的测试示例频次统计示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种linux实时操作系统中断响应时间测试系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的linux实时操作系统中断响应时间测试系统包括：

测试应用参数设置模块1，用于对应用程序传递测试参数，测试间隔、测试时长的设置。

驱动加载模块2，用于实现驱动加载后将中断号(irq)与对应的中断处理函数(handler)注册到目标测试系统，并创建一个监控中断处理是否完成的内核线程。

测试应用参数设置模块1包括：

中断发送单元，用于根据设置控制内核中的驱动向目标CPU发送中断，阻塞等待驱动完成一次测试。

唤醒测试单元，用于实现驱动完成本次测试会唤醒测试任务并返回测试结果。

数据处理单元，用于将测试任务唤醒后将结果交给数据处理模块统计处理保存，根据设置重复。

内核修改单元，用于根据处理器架构和内核版本，使用一个系统未使用的中断号；修改内核，添加该中断及中断服务程序ISR，ISR中调用目标操作系统中断子系统入口，产生该中断时，该中断就能被目标系统处理。

驱动加载模块2包括：

应用程序接收单元，用于实现驱动正常工作时，接收测试应用程序命令。

硬件定时器时间保存单元，用于实现执行中断发送行为，并保存此时硬件定时器时间。

中断处理单元，用于实现目标系统处理CPU接收的中断(irq)然后执行中断处理函数(handler)，中断处理函数保存当前硬件定时器时间，并通知内核监控线程。

测试结果反馈单元，用于实现监控线程唤醒测试应用并返回本次测试结果。

如图2所示，本发明实施例提供的linux实时操作系统中断响应时间测试方法包括以下步骤：

S201：对应用程序传递测试参数，测试间隔、测试时长等。测试应用根据设置控制内核中的驱动向目标CPU发送中断，阻塞等待驱动完成一次测试，驱动完成本次测试会唤醒测试任务并返回测试结果，测试任务唤醒后将结果交给数据处理模块统计处理保存，然后根据设置重复。

S202：驱动加载后将中断号(irq)与对应的中断处理函数(handler)注册到目标测试系统，并创建一个监控中断处理是否完成的内核线程。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明实施例提供的linux实时操作系统中断响应时间测试方法，与现有处理器中断控制器特性和Linux操作系统相结合，使用软件方法实现。目前不论 ARM还是X86处理器，单核还是多核架构，其每一个CPU都具有一个为该CPU 服务的可编程中断控制器，控制该中断控制器能向当前CPU或其他CPU发送中断。利用这个特性就能替换传统的信号发生器设备。

如图3所示，本发明实施例提供的linux实时操作系统中断响应时间测试方法由两部分组成。

用户空间测试任务：对应用程序传递测试参数，测试间隔、测试时长等。测试应用根据设置控制内核中的驱动向目标CPU发送中断，阻塞等待驱动完成一次测试，驱动完成本次测试会唤醒测试任务并返回测试结果，测试任务唤醒后将结果交给数据处理模块统计处理保存，然后根据设置重复。

根据处理器架构和内核版本，使用一个系统未使用的中断号。修改内核，添加该中断及中断服务程序ISR，ISR中调用目标操作系统中断子系统入口，这样产生该中断时，该中断就能被目标系统处理。

驱动：驱动加载后将中断号(irq)与对应的中断处理函数(handler)注册到目标测试系统，并创建一个监控中断处理是否完成的内核线程；

驱动正常工作时，接收测试应用程序命令，执行中断发送行为，并保存此时硬件定时器时间t0(硬件定时器与处理器架构相关，如X86架构的TSC，ARM 架构的free counter等)；目标系统处理CPU接收的中断(irq)然后执行中断处理函数(handler)，中断处理函数保存当前硬件定时器时间t1，并通知内核监控线程。监控线程唤醒测试应用并返回本次测试结果(t1-t0)。

每次测试结果交给测试任务中数据统计模块进行统计，按用户设定的测试时长测试后，可以直接输出测试结果，本次测试的中断响应时间总次数、最大值、最小值、平均值等信息，将统计的数据分布(每个时间段的样本数据)输出到文件。

如：设置测试参数为每次测试间隔100us，输出统计结果到文件‘test.out’，时间不限，直到手动停至，停止时输出统计结果如图5所示，其中包含了本次测试统计信息：样本数、平均值、标准差。最大值、最小值、平均值、总时长。

最小(us)	0.298
		平均(us)	0.510
最大(us)	12.646
		测试时长(S)	46934(13:02:14)
总测试次数	469353415

具体数据分布文件test.out如图4所示，左边表示中断相应时间范围，右边表示在这个范围的次数。如整个测试过程中中断响应在0-0.5us范围的次数为 469089782。

如果将测试任务中的数据统计、测试频率控制模块放到内核空间，由内核任务去完成，用户空间的测试任务仅控制测试驱动的开始与停止，同样能够达到本专利的效果。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种linux实时操作系统中断响应时间测试方法，其特征在于，所述linux实时操作系统中断响应时间测试方法包括以下步骤：

第一步，对应用程序传递测试参数，测试间隔、测试时长；测试应用根据设置控制内核中的驱动向目标CPU发送中断，阻塞等待驱动完成一次测试，驱动完成本次测试会唤醒测试任务并返回测试结果，测试任务唤醒后将结果交给数据处理模块统计处理保存，根据设置重复；

第二步，驱动加载后将中断号irq与对应的中断处理函数handler注册到目标测试系统，并创建一个监控中断处理是否完成的内核线程。

2.如权利要求1所述的linux实时操作系统中断响应时间测试方法，其特征在于，所述linux实时操作系统中断响应时间测试方法根据处理器架构和内核版本，使用一个系统未使用的中断号；修改内核，添加该中断及中断服务程序ISR，ISR中调用目标操作系统中断子系统入口，产生该中断时，中断被目标系统处理。

3.如权利要求1所述的linux实时操作系统中断响应时间测试方法，其特征在于，所述linux实时操作系统中断响应时间测试方法驱动工作时，接收测试应用程序命令，执行中断发送行为，并保存此时硬件定时器时间t0；目标系统处理CPU接收的中断irq然后执行中断处理函数handler，中断处理函数保存当前硬件定时器时间t1，并通知内核监控线程，监控线程唤醒测试应用并返回本次测试结果t1-t0。

4.如权利要求1所述的linux实时操作系统中断响应时间测试方法，其特征在于，所述linux实时操作系统中断响应时间测试方法每次测试结果交给测试任务中数据统计模块进行统计，按用户设定的测试时长测试后，直接输出测试结果，本次测试的中断响应时间总次数、最大值、最小值、平均值信息，将统计的数据分布输出到文件。

5.一种实施权利要求1～4任意一项所述linux实时操作系统中断响应时间测试方法的linux实时操作系统中断响应时间测试系统，其特征在于，所述linux实时操作系统中断响应时间测试系统包括：

测试应用参数设置模块，用于对应用程序传递测试参数，测试间隔、测试时长的设置；

驱动加载模块，用于实现驱动加载后将中断号与对应的中断处理函数注册到目标测试系统，并创建一个监控中断处理是否完成的内核线程。

6.如权利要求5所述的linux实时操作系统中断响应时间测试系统，其特征在于，所述测试应用参数设置模块包括：

中断发送单元，用于根据设置控制内核中的驱动向目标CPU发送中断，阻塞等待驱动完成一次测试；

唤醒测试单元，用于实现驱动完成本次测试会唤醒测试任务并返回测试结果；

数据处理单元，用于将测试任务唤醒后将结果交给数据处理模块统计处理保存，根据设置重复；

内核修改单元，用于根据处理器架构和内核版本，使用一个系统未使用的中断号；修改内核，添加该中断及中断服务程序ISR，ISR中调用目标操作系统中断子系统入口。

7.如权利要求6所述的linux实时操作系统中断响应时间测试系统，其特征在于，所述内核修改单元产生该中断时，中断就能被目标系统处理。

8.如权利要求5所述的linux实时操作系统中断响应时间测试系统，其特征在于，所述驱动加载模块包括：

应用程序接收单元，用于实现驱动正常工作时，接收测试应用程序命令；

硬件定时器时间保存单元，用于实现执行中断发送行为，并保存此时硬件定时器时间；

中断处理单元，用于实现目标系统处理CPU接收的中断然后执行中断处理函数，中断处理函数保存当前硬件定时器时间，并通知内核监控线程；

测试结果反馈单元，用于实现监控线程唤醒测试应用并返回本次测试结果。

9.一种实现权利要求1～4任意一项所述linux实时操作系统中断响应时间测试方法的信息数据处理终端。

10.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-4任意一项所述的linux实时操作系统中断响应时间测试方法。

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