使用實(shí)時操作系統(tǒng)開發(fā)軟件時，如何測量性能？

性能分析非常重要的一個方面是響應(yīng)時間，例如，從一個任務(wù)被激活到運(yùn)行完成的時間。可以通過多種方式來測量響應(yīng)時間，如反轉(zhuǎn)I/O引腳并使用邏輯分析儀進(jìn)行測量，或通過添加一些額外的代碼來測量兩點(diǎn)之間時鐘周期數(shù)。但這些測量措施只能檢測兩點(diǎn)之間的處理器時間，無法獲知影響時間的因素，例如中斷或其他任務(wù)搶占導(dǎo)致的干擾。

性能分析的另一個重要內(nèi)容是執(zhí)行時間，一段特定代碼實(shí)際使用的處理器時間。我們通?？梢詫Τ绦蛴?jì)數(shù)器進(jìn)行采樣獲取使用的處理器時間，許多IDE支持該功能，大多數(shù)基于ARM的MCU為此提供了硬件支持。然而，通過該方式獲取的數(shù)據(jù)是平均測量值，對于頻率較低的函數(shù)或任務(wù)是不準(zhǔn)確的。此外，這些信息不能指示異常長的執(zhí)行可能會導(dǎo)致問題，例如超時。

使用RTOS知識進(jìn)行跟蹤

要獲得RTOS行為的準(zhǔn)確信息，你需要一個RTOS感知跟蹤的解決方案。但許多工具僅支持指定的操作系統(tǒng)。它們通常使用水平甘特圖顯示任務(wù)執(zhí)行隨時間的變化，但其跟蹤信息很難并行顯示其他事件，例如RTOS API的調(diào)用。

圖1 Tracealyzer主視圖

Tracealyzer 的主視圖（圖1）使用垂直時間軸，不僅顯示RTOS調(diào)度過程和中斷，還通過文本標(biāo)簽顯示RTOS調(diào)用的事件或自定義用戶事件。這些標(biāo)簽“浮動”顯示并均勻分布。調(diào)度軌跡中的矩形框?qū)?yīng)于一次連續(xù)的執(zhí)行，稱為Fragment（分片）。參與者（Actor）表示被跟蹤系統(tǒng)中的所有執(zhí)行上下文，例如任務(wù)和中斷處理程序。任務(wù)調(diào)度可以不同的方式呈現(xiàn)或查看。圖1中，每個參與者一列，分片在多列中排序。

圖2 執(zhí)行時間和響應(yīng)時間變化

一個參與者，在捕獲視圖中有多個實(shí)例。實(shí)例表示參與者的一次執(zhí)行，即從任務(wù)被觸發(fā)到完成的過程。在Tracealyzer 主視圖中點(diǎn)擊參與者的分片，參與者實(shí)例通過藍(lán)色矩形框突出顯示，如圖1。

此外，執(zhí)行時間和響應(yīng)時間等性能指標(biāo)基于每個實(shí)例計(jì)算，并可視化為圖2所示的詳細(xì)圖表。例如如果捕獲任務(wù)的最大響應(yīng)時間是為 3255 μs，而最大執(zhí)行時間僅為1087 μs，這意味著大部分響應(yīng)時間被其他任務(wù)或中斷占用。

Tracealyzer中的所有視圖都是相互關(guān)聯(lián)的，通過單擊繪制的數(shù)據(jù)點(diǎn)，你會找到主跟蹤視圖中的相應(yīng)位置，以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)背后的詳細(xì)RTOS行為。

任務(wù)調(diào)度事件如何分組到任務(wù)實(shí)例中？對于周期RTOS任務(wù)來說，一個實(shí)例對應(yīng)一個迭代循環(huán)，由RTOS阻塞調(diào)用分隔，例如，循環(huán)中的隊(duì)列接收調(diào)用QueueRecieve或延時調(diào)用DelayUntil。但是一個任務(wù)可能會執(zhí)行多個這樣的調(diào)用，那么Tracealyzer如何知道從哪里結(jié)束當(dāng)前實(shí)例并開始一個新的實(shí)例？

Tracealyzer 有一個“實(shí)例完成事件”（IFE）概念，通過兩種方式定義。用戶在大多數(shù)情況下不需要為此煩惱，因?yàn)橛幸唤M標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，用于指定RTOS調(diào)用的內(nèi)容作為IFE，例如延遲調(diào)用和 QueueRecieve調(diào)用。不需要額外的配置。但是，對于規(guī)則不合適的情況，可能會需要生成顯式事件 (IFE) 標(biāo)記實(shí)例完成，需要調(diào)用記錄庫中的特定函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖 3顯示了一個示例，其中墨綠色控制任務(wù)分為多個實(shí)例，盡管這些點(diǎn)上沒有發(fā)生任務(wù)切換。你可以手動決定如何將事件分組到實(shí)例中，從而控制時序統(tǒng)計(jì)的解釋。

圖3 實(shí)例結(jié)束事件IFE允許自定義間隔

總結(jié)

使用RTOS帶來的復(fù)雜性，使得應(yīng)用的運(yùn)行時行為難以通過閱讀代碼的方式理解。基于Tracealyzer的可視化分析，可以幫助我們理解和控制軟件的運(yùn)行時行為。關(guān)于如何使用Tracezlyzer，捕獲系統(tǒng)行為的信息，可以參考《嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)-基于STM32Cube、FreeRTOS和Tracealyzer的應(yīng)用開發(fā)》

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