CN114489801A - 高精度测量嵌入式系统中断时长的方法、系统及介质 - Google Patents

高精度测量嵌入式系统中断时长的方法、系统及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度测量嵌入式系统中断时长的方法，涉及计算机技术领域。包括以下步骤：S1指定异常向量号对应中断异常类型；S2当中断异常出现时，系统跳转到系统的通用异常入口函数；S3通用异常入口函数通过异常类型数值，判断异常种类；S4在中断入口函数中，调用中断向量处理宏函数；S5在中断向量处理宏函数入口，先执行中断时长测量启动宏函数，获取入中断时间戳，再调用执行中断处理函数，获取出中断时间戳，最后在中断向量处理宏函数出口，执行中断时长测量结束计时和数据统计功能宏函数；S6中断处理完成后，返回至系统态。本发明是一种非入侵式性能分析方法，可在不修改程序功能流程的前提下，充分利用硬件资源，提高调试效率。

Description

高精度测量嵌入式系统中断时长的方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，具体涉及一种高精度测量嵌入式系统中断时长的方法、系统 及介质。
背景技术
中断是计算机系统中的一个十分重要的概念，现代计算机毫无例外地都采用中断机制。在 计算机执行程序的过程中，由于出现某个特殊情况(或称为“事件”)，使得CPU中止现行程 序，转去执行该事件的处理程序(俗称中断处理或中断服务程序)，待中断服务程序执行完毕， 再返回断点继续执行原来的程序，这个过程称为中断。
中断延迟(中断时长)是实时操作系统最重要的性能指标之一，其通常指外部设备发出中 断请求至操作系统中断服务例程执行第一条指令经过的时间，而中断延迟的精确测量对于定量 分析实时操作系统实的时性能具有重要意义。
目前中断延迟的测量方式大致有两种：第一种就是PWM中断引脚测试法(示波器测试法)， 如图1所示，示波器测试法：首先用示波器通道1输出一个固定频率的方波输入到一个测试 GPIO(PIN1)，然后示波器通道2接到另一个测试的GPIO(PIN2)上，程序设置PIN1为中断 上升沿(或下降沿)触发模式，PIN2则最开始为低电平，当到中断处理入口时，设置为高电 平。示波器上测量PIN1输入触发信号和PIN2引脚输出高电平之间时间差，则可得出中断响应 时间；第二种则是定时器法，如图2所示，计时器测试法：使用芯片内部的两个定时器进行测 量，原理上是开启两个计数器，一个是向上递增的计数器，另外一个是向下递减的计数器，递 减的计数器当一直递减到0时，产生中断。暂时定义为这两个定时器为timer1和timer2，在 某一个时间点，同时设置timer1倒计时2s，并且记录此时timer2的计数1，cnt1。当2s倒 计时后，中断响应，此时硬件在做处理，执行到实际的中断处理后，在中断处理最开始的代码 处记录下timer2的计数cnt2。于是可以得到中断响应时间为：cnt2-cnt1-2s。当然，这个倒 计时2s可以根据具体的情况进行调节。
然而，上述两种测量方法都属于入侵式性能分析方法，使用时，需要修改程序功能流程， 操作不方便。
发明内容
本发明提供的一种高精度测量嵌入式系统中断时长的方法、系统及介质，旨在解决上述背 景技术中存在的问题。
为了实现上述技术目的，本发明主要采用以下技术方案：
一种高精度测量嵌入式系统中断时长的方法，包括以下步骤：
S1指定中断异常处理函数，作为中断异常向量表中具体异常向量号的服务函数，使该异 常向量号对应中断异常类型；
S2当中断异常出现时，系统进入内核态，构建陷阱程序环境，保存现场寄存器组，然后 跳转到系统的通用异常入口函数；
S3通用异常入口函数读取现场寄存器组信息，通过异常类型数值，判断异常种类，若为 其他异常，则调用相应的其他异常处理函数，若为中断入口异常，则调用中断入口函数；
S4在中断入口函数中，最终调用中断向量处理宏函数；
S5在中断向量处理宏函数入口，先执行中断时长测量启动宏函数，获取入中断时间戳， 再调用执行中断处理函数，获取出中断时间戳并统计数据，最后在中断向量处理宏函数出口， 执行中断时长测量结束计时和数据统计功能宏函数，中断清理流程；
S6中断处理完成后，返回至系统态。
其中，本发明中，在所述步骤S4中，调用中断向量处理宏函数的过程包括以下步骤：
在中断入口函数中，调用中断处理入口函数；
在中断处理入口函数中，调用具体中断处理函数；
在具体中断处理函数中，调用archIntHandle()函数；
在archIntHandle()函数中，调用中断服务程序函数；
在中断服务程序函数中，调用中断向量处理宏函数。
进一步的，在中断服务程序函数中，调用中断向量处理宏函数的步骤包含：
中断服务程序函数，通过中断向量号输入参数，先执行查询系统中断向量表结构得到 pidesc，进而获得中断处理函数列表，再调用中断向量处理宏函数，执行具体的中断处理函数。
优选的，所述中断时长测量启动宏函数，初始状态时为空；所述中断时长测量结束计时和 数据统计功能宏函数，初始状态时为空。
本发明中，还包括bspTickHighResolution函数，所述bspTickHighResolution函数用于 修正最近一次tick到当前的精确时间。
本发明还提供了一种用于高精度测量嵌入式系统中断时长的系统，包括：
第一获取模块，用于当发生中断异常时，获取异常向量表；
第一控制模块，用于当发生中断异常时，控制系统跳转到系统的通用异常入口函数；
读取模块，用于读取异常类型数值；
判断模块，通过读取模块读取的异常类型数值，判断异常类型种类；
第二控制模块，用于控制系统根据所述异常类型种类查找所述目标中断处理函数，并执行 所述目标中断处理函数；
测量模块，用于测量入中断时间戳和出中断时间戳之间的时间差值，测量中断时长。
进一步的，所述测量模块名字为InterVectorMeasure.ko，在测量中断时长时，通过 moduleregInterVectorMeasure.ko命令加载运行。
更进一步的，加载InterVectorMeasure.ko模块时，系统执行module_init函数，执行其 module_init函数，先执行__isHighResolutionValid()函数判断系统高精度时钟接口是否 有效；如不存在高精度时钟接口则退出执行；如存在则执行安装中断记时操作集函数 __interVectorMeasureFuncsInstall()和注册回调函数API_InterVectorMeasureHook()以 及执行初始化内核proc文件功能函数procFsKernelInterMeasureInit()。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序， 所述计算机程序被处理器执行时实现上述高精度测量嵌入式系统中断时长的方法的步骤。
此外，本发明还提供了一种电子设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述高精度测量嵌入式系统中断时长的方法的步 骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明针对嵌入式系统中高精度测量中断时 长，提供的一种高精度测量嵌入式系统中断时长的方法，是一种非入侵式性能分析方法，可在 不修改程序功能流程的前提下，充分利用硬件资源，提高调试效率，为做到快速定位性能瓶颈 和有效提升系统性能提供一个行之有效的工具。
附图说明
图1为现有技术中示波器测试法工作示意图；
图2为现有技术中计时器测试法工作示意图；
图3为本发明测量方法的流程图；
图4为本发明中断时长测量统计效果。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图， 对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分 实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图3所示的一种高精度测量嵌入式系统中断时长的方法，包括以下步骤：
S1指定中断异常处理函数，作为中断异常向量表中具体异常向量号的服务函数，使该异 常向量号对应中断异常类型；
本申请中，首先在系统中指定中断异常处理函数bspIntHandle()，作为中断异常向量号0 的服务函数，向量号0对应中断异常类型；
S2当中断异常出现时，系统进入内核态，构建陷阱程序环境，保存现场寄存器组，然后 跳转到系统的通用异常入口函数archExceptionHandle()；
其中，startup.S异常向量表如下所示：
程序清单1startup.S异常向量表
Figure BDA0003501176420000041
Figure BDA0003501176420000051
程序发生异常时，程序将跳转进入startup.S异常向量表(见程序清单1)地址开头，根据 异常类型(TLB刷新/Cash错误/通用异常/Cash中断/系统重启)执行不同的处理函数。其中， 中断属于通用异常，所以发生中断异常时，通过MIPS_EXCEPTION_HANDLE地址跳转到处理代 码段(见程序清单2)，在其中执行通用异常入口函数archExceptionEntry(见程序清单3)， 然后继续在其中执行通用异常入口函数archExceptionHandle(见程序清单4)。
程序清单2通用异常入口跳转
Figure BDA0003501176420000052
程序清单3通用异常入口
Figure BDA0003501176420000053
程序清单4通用异常入口处理函数
Figure BDA0003501176420000061
S3通用异常入口函数读取现场寄存器组信息，通过异常类型数值，判断异常种类，若为 其他异常，则调用相应的其他异常处理函数，若为中断入口异常，则调用指定的中断入口函数 bspIntHandle()，见程序清单4；
S4在中断入口函数中，最终调用中断向量处理宏函数；
其中，该步骤包括：
在中断入口函数bspIntHandle()(见程序清单5)中，调用中断处理入口函数ls2kIntDispach()(见
程序清单6)；
在中断处理入口函数ls2kIntDispach()(见
程序清单6)中，调用具体中断处理函数ls2kIrqDispatch()函数(见程序清单7)；
在具体中断处理函数ls2kIrqDispatch()函数(见程序清单7)中，调用archIntHandle ()函数；
在archIntHandle()函数中，调用中断服务程序函数API_InterVectorIsr()(见程序清 单9)；
在中断服务程序函数API_InterVectorIsr()(见程序清单9)中，调用中断向量处理宏 函数INTER_VECTOR_SVC()(见程序清单10)。
其中，在中断服务程序函数中，调用中断向量处理宏函数的步骤如下：
中断服务程序函数API_InterVectorIsr()(见程序清单9)，通过中断向量号ulVector 输入参数，先执行LW_IVEC_GET_IDESC(ulVector)查询系统中断向量表结构得到pidesc，进而 获得中断处理函数列表piaction＝(PLW_CLASS_INTACT)pidesc->IDESC_plineAction，再调 用中断向量处理宏函数INTER_VECTOR_SVC()，执行具体的中断处理函数。
程序清单5中断入口
Figure BDA0003501176420000071
Figure BDA0003501176420000081
Figure BDA0003501176420000091
程序清单6中断处理入口
Figure BDA0003501176420000092
程序清单7具体中断处理
Figure BDA0003501176420000093
Figure BDA0003501176420000101
程序清单8架构层中断处理函数
Figure BDA0003501176420000102
Figure BDA0003501176420000111
Figure BDA0003501176420000121
程序清单9向量中断总服务
Figure BDA0003501176420000122
Figure BDA0003501176420000131
Figure BDA0003501176420000141
Figure BDA0003501176420000151
程序清单10中断服务宏函数
Figure BDA0003501176420000152
Figure BDA0003501176420000161
S5在中断向量处理宏函数入口，先执行中断时长测量启动宏函数 INTER_VECTOR_MEASURE_ENTER，获取入中断时间戳，再调用执行中断处理函数 INTER_VECTOR_SVC_HANDLE()，获取出中断时间戳并统计数据，最后在中断向量处理宏函数出 口，执行中断时长测量结束计时和数据统计功能宏函数INTER_VECTOR_MEASURE_EXIT()，中断 清理流程；
S6中断处理完成后，返回至系统态。
其中，中断时长测量启动宏函数，初始状态时为空；中断时长测量结束计时和数据统计功 能宏函数，初始状态时为空。见程序清单10和
程序清单11。
程序清单11中断测量回调
Figure BDA0003501176420000162
Figure BDA0003501176420000171
本发明中，还包括bspTickHighResolution函数，所述bspTickHighResolution函数用于 修正最近一次tick到当前的精确时间。
一般情况下，系统tick时钟的精度只有10ms或1ms，不能满足一些对于时间精度要求 较高的应用程序。因此，为了获取高精度计时，系统内提供bspTickHighResolution函数， 该函数通过读取硬件定时器的当前计数值来修正最近一次tick到当前的精确时间；具体到驱 动层面，bspTickHighResolution()调用读取硬件设备的HPET定时器寄存器，获得的时钟精 度可以达到纳秒，见
程序清单12。
程序清单12
Figure BDA0003501176420000172
Figure BDA0003501176420000181
Figure BDA0003501176420000191
本发明还提供了一种用于高精度测量嵌入式系统中断时长的系统，包括：
第一获取模块，用于当发生中断异常时，获取异常向量表；
第一控制模块，用于当发生中断异常时，控制系统跳转到系统的通用异常入口函数；
读取模块，用于读取异常类型数值；
判断模块，通过读取模块读取的异常类型数值，判断异常类型种类；
第二控制模块，用于控制系统根据所述异常类型种类查找所述目标中断处理函数，并执行 所述目标中断处理函数；
测量模块，用于测量入中断时间戳和出中断时间戳之间的时间差值，测量中断时长。
其中，测量模块名字为InterVectorMeasure.ko，在测量中断时长时，通过moduleregInterVectorMeasure.ko命令加载运行。
加载InterVectorMeasure.ko模块时，系统会执行其module_init函数，先执行 __isHighResolutionValid()函数判断系统高精度时钟接口是否有效；如不存在高精度时钟接 口则退出执行；如存在则执行安装中断记时操作集函数 __interVectorMeasureFuncsInstall()[初始化中断测量计时模块使用的变量]和注册回调函 数API_InterVectorMeasureHook()以及执行初始化内核proc文件功能函数procFsKernelInterMeasureInit()，见
程序清单13。
程序清单13
Figure BDA0003501176420000192
Figure BDA0003501176420000201
API_InterVectorMeasureHook()函数，向系统内核安装中断向量测量回调函数__curTimeStampGet()和__deltaTimeStampGet；每当系统发生中断异常时，进入中断向量处理宏函数INTER_VECTOR_SVC()其中，都会先调用__curTimeStampGet()获取入中断时间戳，执行完具体的中断处理函数后，调用__deltaTimeStampGet()获取出中断时间戳，并记录下最大中断用时；这2个函数都调用bspTickHighResolution函数来获取当前的精确时间， 见
程序清单14。
程序清单14
Figure BDA0003501176420000202
Figure BDA0003501176420000211
Figure BDA0003501176420000221
Figure BDA0003501176420000231
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序， 所述计算机程序被处理器执行时实现上述高精度测量嵌入式系统中断时长的方法的步骤。
该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存 取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，本发明还提供了一种电子设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述高精度测量嵌入式系统中断时长的方法的步 骤。
所述电子设备还可以包括各种网络接口，电源等组件。
用户在系统shell命令终端调用cat/proc/kernel/interMeasure命令，就会执行__procFsKernelInterMeasureRead(),即可查看系统中所有中断用时统计，程序流程见程序清单15，中断时长测量统计效果如图4所示。
程序清单15
Figure BDA0003501176420000241
Figure BDA0003501176420000251
Figure BDA0003501176420000261
Figure BDA0003501176420000271
Figure BDA0003501176420000281
Figure BDA0003501176420000291
Figure BDA0003501176420000301
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不 同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与 实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出， 对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若 干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体 或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何 这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他 性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还 包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。 在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的 过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种高精度测量嵌入式系统中断时长的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1指定中断异常处理函数，作为中断异常向量表中具体异常向量号的服务函数，使该异常向量号对应中断异常类型；
S2当中断异常出现时，系统进入内核态，构建陷阱程序环境，保存现场寄存器组，然后跳转到系统的通用异常入口函数；
S3通用异常入口函数读取现场寄存器组信息，通过异常类型数值，判断异常种类，若为其他异常，则调用相应的其他异常处理函数，若为中断入口异常，则调用中断入口函数；
S4在中断入口函数中，最终调用中断向量处理宏函数；
S5在中断向量处理宏函数入口，先执行中断时长测量启动宏函数，获取入中断时间戳，再调用执行中断处理函数，获取出中断时间戳并统计数据，最后在中断向量处理宏函数出口，执行中断时长测量结束计时和数据统计功能宏函数，中断清理流程；
S6中断处理完成后，返回至系统态。
2.根据权利要求1所述的高精度测量嵌入式系统中断时长的方法，其特征在于，所述步骤S4中，调用中断向量处理宏函数的过程包括以下步骤：
在中断入口函数中，调用中断处理入口函数；
在中断处理入口函数中，调用具体中断处理函数；
在具体中断处理函数中，调用archIntHandle()函数；
在archIntHandle()函数中，调用中断服务程序函数；
在中断服务程序函数中，调用中断向量处理宏函数。
3.根据权利要求2所述的高精度测量嵌入式系统中断时长的方法，其特征在于，在中断服务程序函数中，调用中断向量处理宏函数的步骤包含：
中断服务程序函数，通过中断向量号输入参数，先执行查询系统中断向量表结构得到pidesc，进而获得中断处理函数列表，再调用中断向量处理宏函数，执行具体的中断处理函数。
4.根据权利要求1所述的高精度测量嵌入式系统中断时长的方法，其特征在于：所述中断时长测量启动宏函数，初始状态时为空；所述中断时长测量结束计时和数据统计功能宏函数，初始状态时为空。
5.根据权利要求1所述的高精度测量嵌入式系统中断时长的方法，其特征在于：还包括bspTickHighResolution函数，所述bspTickHighResolution函数用于修正最近一次tick到当前的精确时间。
6.一种用于高精度测量嵌入式系统中断时长的系统，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于当发生中断异常时，获取异常向量表；
第一控制模块，用于当发生中断异常时，控制系统跳转到系统的通用异常入口函数；
读取模块，用于读取异常类型数值；
判断模块，通过读取模块读取的异常类型数值，判断异常类型种类；
第二控制模块，用于控制系统根据所述异常类型种类查找所述目标中断处理函数，并执行所述目标中断处理函数；
测量模块，用于测量入中断时间戳和出中断时间戳之间的时间差值，测量中断时长。
7.根据权利要求6所述的用于高精度测量嵌入式系统中断时长的系统，其特征在于，所述测量模块名字为InterVectorMeasure.ko，在测量中断时长时，通过moduleregInterVectorMeasure.ko命令加载运行。
8.根据权利要求7所述的用于高精度测量嵌入式系统中断时长的系统，其特征在于：加载InterVectorMeasure.ko模块时，系统执行module_init函数，执行其module_init函数，先执行__isHighResolutionValid()函数判断系统高精度时钟接口是否有效；如不存在高精度时钟接口则退出执行；如存在则执行安装中断记时操作集函数__interVectorMeasureFuncsInstall()和注册回调函数API_InterVectorMeasureHook()以及执行初始化内核proc文件功能函数procFsKernelInterMeasureInit()。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述高精度测量嵌入式系统中断时长的方法的步骤。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项用于执行所述计算机程序时实现上述高精度测量嵌入式系统中断时长的方法的步骤。
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