Windows Embedded CE 6.0實時性分析

???? Windows Embedded CE 6.0是微軟公司目前最新的嵌入式操作系統之一，支持四種體系結構的MCU（ARM、MIPS、SH4和x86）。在眾多的嵌入式操作系統中，它以自己獨特的優勢脫穎而出，在整個嵌入式操作系統的市場份額中占有很大比重。相比其他嵌入式操作系統，Windows Embedded CE 6.0主要有以下特點：

• 圖形用戶界面，與桌面操作系統的圖形用戶界面基本一致，便于用戶接受；
• 網絡連接的支持，包括PAN、LAN、WAN、BlueTooth和WIFI；
• 多媒體的支持，如DirectDraw、DirectShow、Directory3D及多種音頻視頻的編解碼
• 多語言的支持，可以在定制系統時選擇一種或多種語言；
• 多進程的支持，理論上支持32K個進程，滿足各種應用需求；
• 組件化的開發方式有效縮短了產品的研發周期；
• 基于VS2005的集成開發環境，讓開發更方便。

????? 以上這些都是我們選擇Windows Embedded CE 6.0的原因，但在很多嵌入式系統的應用場合，系統的實時性至關重要。而整個系統的實時性在很大程度上取決于它所采用的操作系統。那么Windows Embedded CE 6.0的實時性到底如何，能否滿足我們的應用需求，或者說Windows Embedded CE 6.0是否是一個實時操作系統？本文將根據實際應用，介紹一種在目標硬件平臺上測試Windows Embedded CE 6.0實時性的方法。

????? 在討論Windows Embedded CE 6.0的實時性之前，先簡單介紹一下實時操作系統的概念。實時操作系統除了具有一般操作系統的基本要素外，還必須能及時準確地響應所有不可預知的外部觸發，即使在系統處于尖峰負荷狀態時。這是一個非常苛刻的要求。根據實際應用的場景不同，實時操作系統一般分為以下兩種。

• 硬實時操作系統：準時準確地響應所有的外部觸發，一次失敗將導致災難性的后果。這類操作系統在航空航天和工業控制領域應用廣泛。
• 軟實時操作系統：在不滿足響應時限時，系統性能退化，但不會導致災難性后果。這類操作系統在交換系統中經常有應用。

???? 這里需要注意，實時操作系統并不是一個“快速”系統，實時系統有限定的響應時間，而并非響應越快越好。事實上，響應時間可以是皮秒級的也可以是秒級的，甚至是分鐘級的。只要在系統規定的時限內正確響應所有的外部觸發，我們就可以認為它是一個實時操作系統，哪怕這個時限是一小時。舉個例子，顧客打電話給肯德基叫外賣，肯德基在規定的30分鐘內將顧客點的漢堡送達，那這個過程就可以認為是實時性的，時限為30分鐘。

?????從2000年發布的WinCE3.0開始，Windows Embedded CE就是一個實時操作系統。隨著新版本的不斷推出，Windows Embedded CE的實時性也不斷提高。毋庸置疑，Windows Embedded CE 6.0也是一個實時操作系統。

通常，對于實時操作系統來說，外部觸發一般是指外部中斷觸發。所以，外部中斷的響應時間（中斷延遲）是衡量其實時性的一個重要標準。下面將從這一角度分析Windows Embedded CE 6.0的實時性。

Windows Embedded CE 6.0的中斷處理過程主要分為兩部分：

• 中斷服務例程（ISR）：處于內核中的低級處理程序，中斷發生時首先被調用。
• 中斷服務線程（IST）：處于驅動或者應用中的中斷處理線程，由系統調度，完成大部分的中斷處理工作。

???? ISR的實現在OAL（OEM適配層）中，它只處理最低級的中斷響應，通常是設置MCU內部的中斷控制寄存器。中斷處理的主要部分在驅動或者應用的中斷處理線程中。中斷處理線程與其他線程一樣，使用同一個線程優先級管理系統。ISR和IST之間通過事件對象進行同步。IST中創建一個事件對象，并使用函數WaitForSingleObject()等待該事件被觸發。ISR中通知內核觸發相應的事件對象。Windows Embedded CE 6.0的中斷處理的過程如下圖所示。

????????????????? 圖-1 Windows Embedded CE 6.0的中斷處理過程

???? 可以看到，從外部中斷產生到IST運行，中間經歷了幾個環節，每一個環節都有時間開銷，有些時間是基本確定的，有些時間隨系統的狀態不同而不同。但整個中斷延遲主要可分成ISR延遲和IST延遲兩部分，如圖-2所示，t1為ISR延遲，t2為IST延遲。中斷延遲的時間是衡量Windows mbedded CE 6.0實時性的一個重要指標。那么如何在我們系統的硬件平臺上測得這個中斷延遲的具體值，從而進一步分析Windows Embedded CE 6.0的實時性能否滿足項目的實際應用需求。

??????? 圖-2 Windows Embedded CE 6.0的中斷延遲模型

????? 這是中斷延遲的一個簡要模型，t1是ISR延遲，t2是IST延遲，t1+t2即為中斷延遲，我們需要測量和計算的就是這兩個值。

Windows Embedded CE 6.0提供了一些工具軟件，用來測量中斷延遲，如ILTiming.exe。它需要OAL的代碼支持，并且在定制系統時設置相應的編譯屬性，具體用法可參考Platform Builder 6.0的幫助。這里介紹一種借助硬件的測量方法，能在示波器上直觀的看出中斷延遲。

根據前文所述的中斷處理過程以及圖-2所示的中斷延遲模型，可通過控制MCU的一個GPIO輸出引腳來幫助測量t1和t2。具體方法如下：

1. 在OAL的OALIntrInit()函數中，設置某一GPIO為輸出口，并使其輸出高電平；

2. 在ISR的OEMInterruptHandler()函數中，將該GPIO設置為低電平；

3. 在IST的WaitForSingleObject()函數之后，將該GPIO設置為高電平；

4. 當外部中斷觸發時，GPIO會先被ISR拉低，再被IST拉高；

5. t1是外部中斷下降沿觸發以后，GPIO保持高電平的時間；

6. t2是GPIO保持低電平的時間；

7. t1+t2≈中斷延遲時間

????? 實際應用的目標平臺采用的MCU是S3C2410，其設置GPIO的主要代碼如下。

//初始化GPIO，并設置為高

//設置GPE11為輸出口

value = INREG32(&pOalPortRegs->GPECON);

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

//設置GPE11的IO狀態為高

value = INREG32(&pOalPortRegs->GPEDAT);

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

在ISR中設置GPIO為低的代碼如下。

//將GPE11置低

mask = INREG32(&g_pPortRegs->GPEDAT);

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

驅動中的IST代碼如下。

DWORD WINAPI IntrThreadProc(LPVOID ptr)

{

???? while(bRun)

???? {

?????????? WaitForSingleObject(gIntrEvent, INFINITE);

?????????? //將GPE11置高

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

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

????????? //Sleep(1000);

????????? InterruptDone(gSysIntr);

?????? }

?????? return 0;

}

????? 實現以上代碼后，重新編譯，并將操作系統下載到目標平臺上。使用雙通道的示波器測量中斷觸發引腳和GPIO的輸出引腳，其中CH1測量GPIO的輸出引腳，CH2測量外部中斷引腳。

????? 在使用下降沿觸發中斷時，中斷信號和GPIO的輸出信號如圖-3所示。

????????????????????????????? 圖-3 下降沿觸發時的實際波形

????? 從上圖可以看出，t1基本可以忽略不計，t2約為1.8ms,t1+t2不到2ms，說明此時的中斷延遲小于2ms。

在使用高電平中斷，且IST中有輸出調試信息時的波形如圖-4所示。

??????????????????? 圖-4 高電平觸發，IST中有延時的實際波形

????? 從上圖可以看出，t2的時間約為1.8ms，兩次中斷的時間間隔約為3.8ms。中斷延遲小于2ms。

在使用高電平中斷，且IST中沒有輸出調試信息時的波形如圖-5所示。

?????????????????? 圖-5 高電平觸發，IST中無延時的實際波形

?????從上圖可以看出，t2的時間大約為18μ秒，t1可以認為小于4μ秒，兩次中斷之間的時間間隔為22μ秒，且能夠連續穩定的正確響應。這說明Windows Embedded CE 6.0內核的中斷延遲可達18μ秒。當然，我們很難根據一次測量的值來判定它的最低響應時限為多少，但微秒的數量級足以說明Windows Embedded CE 6.0的實時性基本可以滿足常見的各種應用。

?????需要注意的是，應用系統的實時性并不完全由操作系統的實時性決定，系統的硬件結構、軟件驅動和應用程序等都會影響到整個系統的實時性。另外，Windows Embedded CE 6.0雖然是實時操作系統，但它也提供了非實時的工作環境，如果定制系統時添加了非實時的相關組件，也會影響系統的實時性。

Platform Builder 6.0提供的Remote Kernel Tracker工具，可以幫助我們觀察系統線程的執行情況。圖-6和圖-7所示是采用高電平觸發，有1秒Sleep的狀態截圖，第一個框表示線程執行到Sleep(1000)，第二個框表示等待事件被觸發，紅色的虛線表示線程處于阻塞的狀態。

????????????? 圖-6 高電平觸發，IST中有延時的狀態，Sleep(1000)

?????????????????? 圖-7 高電平觸發，IST中有延時的狀態，等待事件的觸發

????? 以上通過測量中斷延遲時間，驗證了Windows Embedded CE 6.0的實時性。當然，實時操作系統的定義嚴格，判斷一個操作系統是否為實時操作系統，還有其他一些因素，如系統的中斷管理機制、線程管理機制、同步對象的支持、內存的管理等等。

????? 實際開發過程中，如何提高系統的實時性呢？在硬件平臺、操作系統確定的前提下，我們還可以做哪些工作？通過前面的分析和實際測量，可以知道ISR的中斷延遲時間很短，也很難再控制。IST的延遲受系統線程調度的影響，有進一步控制的可能。

????? Windows Embedded CE 6.0使用基于優先級的時間片輪轉算法對線程進行調度。對處于就緒態隊列的線程，先分給優先級最高的線程以時間片，當時間片用完后，無論線程是否執行完畢，都退回就緒態隊列中，等待下一次的時間片分配。

????? 所以，一方面，我們可以通過提高中斷線程的優先級以獲得更多的執行機會。Windows Embedded CE 6.0的線程有256個優先級(0~255)，0的優先級最高，255的優先級最低。線程默認的優先級為251。WinCE中用來設置線程優先級的函數有兩個。

CeSetThreadPriority(HANDLE hThread,int nPriority)：可以設置0~255的所有優先級

SetThreadPriority(HANDLE hThread,int nPriority)：只能設置8個最低的優先級(248~255)

????? 為了減小中斷處理延遲，應使用CeSetThreadPriority()設置更高的線程優先級。函數SetThreadPriority()通常在應用程序中用來設置工作線程的優先級。

????? 另一方面，我們可以修改線程的時間片大小（線程額度），線程額度只會影響同一優先級的線程調度。系統默認的線程額度是100ms。線程額度被設為0意味著線程將一直執行，直到被阻塞或者被更高優先級的打斷。修改線程額度有兩種方法，可以在OAL的OEMInit()函數中設置dwDefaultThreadQuantum，這將修改系統默認的線程額度。也可以使用設置線程額度的函數CeSetThreadQuantum(HANDLE hThread,DWORD dwTime)來修改某一特定線程的線程額度。為了保證系統的實時性，dwDefaultThreadQuantum應該設定為一個合適的值。對實時性要求較高的中斷處理線程，可以單獨將它的線程額度設為0。

????? 以上兩種方法是比較方便的處理方法，如果采用了這兩種方法后，系統的實時性仍然不能滿足需求，那么需要考慮其他的解決辦法，主要有以下幾個：

• 將中斷處理的主要部分放到ISR中，這是一種困難而又危險的做法，困難是因為ISR中能調用的系統函數有限，危險意味著處理不當會導致系統性能急劇下降。
• 改善外部中斷的觸發機制，從硬件著手，如增加硬件緩沖區，減少單位時間內的中斷響應次數，在IST中處理硬件緩沖區的數據，這種方法能極大提高系統的實時性。
• 采用更高主頻的MCU，提高總線訪問速度。

????? 總之，實現一個實時系統，需要從硬件、操作系統、驅動和應用程序等各方面考慮，根據應用的需求選擇合適的硬件、操作系統，在軟件設計時也需要時刻考慮到實時性的要求。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Windows Embedded CE 6.0实时性分析（转载自sunrain_hjb）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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