SylixOS 中断响应时间测试

Posted 2020-09-17

1.应用场景

    在一些情况下，对于一些紧急的中断任务，系统需要为其提供稳定可靠的中断响应时间，但一般的中断服务函数，它的响应时间可能会受到其他中断向量的影响，延迟响应。在SylixOS中有两种解方案。

    1．提高该中断向量优先级，打开中断嵌套来确保紧急中断的响应时间。

    2．对于多核处理器，可以采用中断绑核的形式，即将紧急中断绑定到某一核上，该核只处理紧急任务。

    下面通过测试正常情况下、中断嵌套情况下、中断绑核情况下的中断响应时间，来对比采用上述两种方式的优点。

2.中断响应时间测试方案

    使用示波器自带的1KHZ输出方波作为CPU的中断源，下降沿中断，在中断服务里改变CPU引脚输出电平并捕获。中断响应时间为1KHZ方波由从高电平上升到0.7*VCC开始到CPU输出低电平的时间差。具体测试方案见PPT支持SMP的大型实时操作系统(IDE目录下的ppt目录里)。硬件连接图如图2- 1所示。

        图2- 1 中断响应时间测试硬件连接

    测试以zynq7000开发板为例，zynq7000处理器为双核处理器，中断控制器为GIC pl350，它支持中断嵌套和中断绑核。测试程序如程序清单2- 1所示。

                            程序清单2- 1 中断响应时间测试代码

/*********************************************************************************************************
* 函数名称: __doIsr
** 功能描述: 中断服务函数
** 输　入 : VOID
** 输　出 :
** 全局变量:
** 调用模块:
*********************************************************************************************************/
static irqreturn_t __doIsr (PVOID pvArg, ULONG iVector)
{
    API_GpioClearIrq(GPIO_NUM); /* 清中断 */
    writel(readl(0xE000A204) | (1 << 0), 0xE000A204); /* 11号脚，设置为出输出 */
    writel(readl(0xE000A208) | (1 << 0), 0xE000A208); /* 11号脚，设置为出输出使能 */
    writel(readl(0xE000A200) | (1 << 0), 0xE000A000); /* 11号脚，设置为低电平 */
    bspDelayUs(1); /* 延迟1us */
    writel(readl(0xE000A200) | (0 << 0), 0xE000A000); /* 11号脚，设置为高电平 */
    return LW_IRQ_HANDLED;
}
/*********************************************************************************************************
** 函数名称: module_init
** 功能描述: 模块加载函数
** 输　入 : VOID
** 输　出 : 0 表示成功，非0表示失败
** 全局变量:
** 调用模块:
*********************************************************************************************************/
int module_init (void)
{
system("shfile /etc/thread_affinity.sh");
 
     LW_CLASS_CPUSET cpuset;
     LW_CPU_ZERO(&cpuset);
     LW_CPU_SET(1, &cpuset);
     API_GpioRequestOne(GPIO_NUM, LW_GPIOF_IN, "intIn"); /* 下降沿触发中断 */
     LW_IRQ = API_GpiosetupIrq(GPIO_NUM, LW_FALSE, 0);
     API_InterVectorConnect(LW_IRQ, /* 安装操作系统中断向量表 */
                            （PINT_SVR_ROUTINE)__doIsr,
                             (PVOID)LW_NULL,
                             "isr");
 
    API_InterSetTarget(LW_IRQ, sizeof(LW_CLASS_CPUSET), &cpuset); /* 设置中断目标CPU1 */
 
    API_InterVectorEnable(LW_IRQ); /* 中断使能 */
 
    return 0;
}

    在不开中断嵌套和中断不绑核的情况下，用上述方案进行测试。在不加负载的情况下，其中断响应时间如图3- 1所示。3.正常情况下中断响应时间测试

                图3- 1 无负载下中断响应时间测试

    由图3- 1可以看出其中断响应时间大概为3.5us，并且实际测试时波动较大，中断响应时间不稳定。在加负载的情况下（内存拷贝负载和CPU负载），其中断响应时间测试结果如下图3- 2所示。

                    图3- 2 加负载下中断响应时间测试

    由图3- 2可以看出，加负载后，内存拷贝等任务可能会产生中断，从而影响测试中断向量的中断响应时间，测试中断向量的中断响应时间已经达到7us，并且实际响应时间很不稳定，有时可能出现十几微妙的情况。对于紧急任务，这种不稳定情况是不允许出现的。

4.中断嵌套下中断响应时间测试

    在SylixOS下，可以采用中断嵌套的方式加快高优先级中断向量的响应时间，将测试中断向量的优先级设置为最高，并且打开中断嵌套，测试中断响应时间，图4- 1可以看出各个中断向量分布在不同的CPU核上。

                                    图4- 1

    如图4- 2所示，测试中断向量的中断响应时间为3.5us，并且实际响应时没有太大波动（响应时间稳定在3.5us）。

                图4- 2 中断嵌套下无压力中断响应时间测试

    如图4- 3所示是在加负载（CPU负载和内存拷贝负载）的情况下，测试中断向量的响应时间为5us左右，并且实际响应没有太大波动（响应时间稳定在5us）。

                图4- 3 中断嵌套下加负载中断响应时间测试

    由测试结果可以看出，中断嵌套可以提高中断的响应时间。

    在单核处理器下，只能通过中断嵌套来保证紧急中断的响应时间，但多级中断嵌套存在中断栈溢出的风险，用户在使用时需要注意这一点。

    大部分中断控制器为了防止中断栈溢出，一般会限制中断嵌套的层数，例如AIC支持最多8级中断嵌套，GIC支持最多7级中断嵌套。

    SylixOS中用户可以手动配置中断栈的大小，通过memory_cfg.h 下的LW_CFG_INT_STK_SIZE选项进行中断栈大小的设置，SylixOS默认中断栈大小为4K，用户可以根据自身情况进行配置，配置选项程序如程序清单4- 1所示。

                                程序清单4- 1 中断栈大小配置

/*********************************************************************************************************
* 基本二进制大小单位定义
*********************************************************************************************************/
#ifndef LW_CFG_KB_SIZE
#define LW_CFG_KB_SIZE (1024)
#define LW_CFG_MB_SIZE (1024 * LW_CFG_KB_SIZE)
#define LW_CFG_GB_SIZE (1024 * LW_CFG_MB_SIZE)
#endif
 
/*********************************************************************************************************
* KERNEL THREAD & INTERUPT STACK
* (不包括网络与其他扩展子系统相关线程)
*********************************************************************************************************/
#define LW_CFG_INT_STK_SIZE (4 * LW_CFG_KB_SIZE)/* 系统中断堆栈大小 (字节) */
... …

5.中断绑核下中断响应时间测试 

    开中断嵌套存在一定风险，在多核处理器下，中断控制器一般都支持中断绑核。可以采用中断绑核的方式提高紧急中断向量的响应时间，中断绑核程序如程序清单5- 1所示。

                     程序清单5- 1 中断绑核设置

    LW_CLASS_CPUSET cpuset;
    LW_CPU_ZERO(&cpuset);
    LW_CPU_SET(1, &cpuset);
    API_GpioRequestOne(GPIO_NUM, LW_GPIOF_IN, "intIn"); /* 下降沿触发中断 */
    LW_IRQ = API_GpioSetupIrq(GPIO_NUM, LW_FALSE, 0);
    API_InterVectorConnect(LW_IRQ, /* 安装操作系统中断向量表 */
                           (PINT_SVR_ROUTINE)__doIsr,
                           (PVOID)LW_NULL,
                           "isr");
 
    API_InterSetTarget(LW_IRQ, sizeof(LW_CLASS_CPUSET), &cpuset); /* 设置中断目标CPU1 */
 
    API_InterVectorEnable(LW_IRQ); /* 中断使能 */

    程序运行后，如图5- 2所示可以看出，测试中断向量绑定到CPU 1，其他中断向量绑定到了CPU 0。 

                            图5- 2 中断绑核

    在不加负载的情况下，中断响应时间测试结果如图5- 3所示，可以看出中断响应时间在3us左右，并且实际测试时响应时间没有太大波动。

                图5- 3 绑核无负载中断响应时间测试结果

    在加负载（CPU负载和内存拷贝负载）的情况下，响应测试结果如图5- 4所示，响应时间为4us，并且实际测试时响应时间没有太大波动，负载对紧急任务的中断响应时间影响很小。

                图5- 4 绑核有负载中断响应时间测试结果

 

    根据上述测试结果可以看出，中断绑核也可以保证中断响应时间的稳定可靠