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1、2 7 3 0 C 计。算m p 机u t 测e r 量M 与e a s 控u r 制e m e 2 n 0 1 t21 8 C o q n t r 2 0 l 匿叠F 习F 琵稠&卜目=-能_；l|I 一。矽咽：坤K-l文章编号：1 6 7 1 4 5 9 8(2 0 1 0)1 2 2 7 3 0 一0 3中图分类号：T P 8 7 3 7文献标识码：A极向场电源操作系统实时性能测试杨恒，秦品健，黄连生，马林园(中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥2 3 0 0 3 1)摘要：极向场电源控制对操作系统实时性要求不断提高，有必要对其操作系统进行实时性能测试；极向场电源控制使用的是Q N X
2、R T O S，采用软件编程和硬件辅助协同的方法进行测试，给出了线程切换时间和中断延迟时间的具体测试流程并对测试结果进行分析；测试结果表明Q N XR T O S 满足极向场电源控制系统实时性要求；并且该测试方法具有一般性，可以用来对Q N X 系统其他实时性能进行测试。关键词：极向场电源；Q N X；线程切换；中断R e a l t i m eP e r f o r m a n c eT e s to fP o l o i d a lF i e l dP o w e rS u p p l yO p e r a t i o nS y s t e mY a n gH e n g，Q i nP i
3、 n j i a n，H u a n gL i a n s h e n g，M aL i n g y u a n(I n s t i t u t eo fP l a s m aP h y s i c s，C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s，H e f e i2 3 0 0 3 1，C h i n a)A b s t r a c t：A sp o l o i d a lf i e l dp o w e rs u p p l yc o n t r o ls y s t e mn e e d si n c r e a s i n gh i g h
4、 p e r f o r m a n c eo fr e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m，i ti sn e c e s s a r yt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo fo p e r a t i o ns y s t e m T h i sp a p e rt e s t sP o l o i d a lf i e l dp o w e rc o n t r o ls y s t e mt h a ta d o p t sQ N XR T O S(R e a lT i m eO p e r a t i
5、 n gS y s t e m)，u s i n gs o f t w a r ep r o g r a m m i n ga n dh a r d w a r e a s s i s t e dc o l l a b o r a t i v ea p p r o a c h W ei n t r o d u c et h es p e c i f i ct e s t i n gp r o c e d u r e so ft h r e a ds w i t c ht i m ea n di n t e r r u p tt i m ea n da n a l y z et h et e s
6、 tr e s u l t s T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eQ N XR T O Sm e e tt h er e a l t i m er e q u i r e m e n t so fp o l o i d a lf i e l dp o w e rs u p p l yc o n t r o ls y s t e m I t sag e n e r a lm e a s u r i n gm e t h o da n dc a nb eu s e df o ro t h e rr e l a t i v et e s t i n g K e
7、 yw o r d s：p o l o i d a lf i e l dp o w e rs u p p l y；Q N X；t h r e a ds w i t c h；i n t e r r u p tO引言极向场电源系统是E A S T(E x p e r i m e n t a lA d v a n c e dS u p e r-c o n d u c t i n gT o k a m a k)托卡马克装置的核心子系统之一。它为等离子体的产生、约束、维持、加热、以及等离子体电流、位置、形状、分布和破裂的控制，提供必要的工程基础和控制手段。对于装置运行的性能与安全，物理实验的成败与效率，
8、有着至关重要的作用 I 。用于该电源系统的Q N XR T O S(R e a lT i m eO p e r a t i n gS y s t e m)为及时准确地监测电源控制系统的运行状态做出了重要贡献。1 极向场电源控制系统1 1Q N X 系统Q N X 是加拿大Q S S L 公司开发的分布式、嵌入式、可扩展规模的实时操作系统。基于可抢占的微内核和优先级调度方式使得Q N X 实时操作系统能够提供快速和高度可预测的响应时间，甚至在系统重负载的情况下，每一次高优先级的线程都能够在限期时间内得到响应 2 。整个Q N X 操作系统是由微内核调度管理的一组进程的集合，微内核给其他外围进程提
9、供非常小的调用服务，主要有：线程、消息传递、信号、时钟、定时器、中断处理、信号灯、互斥锁、屏障。整个操作系统都是建立这些调用之上的，支持完全抢占式的调度，即使是在消息收稿日期：2 0 1 0 0 6 1 5；修回日期：2 0 1 0 一0 7 2 0。基金项目：国家重点基础研究发展计划(9 7 3 计划)(2 0 0 8 G B l 0 4 0 0 0)。作者简介：杨恒(1 9 8 6 一)，男，安徽人，硕士研究生，主要从事计算机控制方向的研究。秦品健(1 9 5 1 一)，男，研究员，主要从事控制系统设计、D S P 技术应用等方向的研究。中华测控网c h i n a m c a c o m
10、的传递过程当中也存在抢占调度。1 2 极向场电源控制系统结构根据系统硬件的位置、核聚变实验要求、控制系统的模块化和便于将来系统的升级以及开发的方便，采用层次化的软件结构。将整个系统分为三层：W i n d o w s 监测层、Q N X 实时控制层、现场总线执行层，具体组成如图1 所示 3 。图1 系统拓扑结构图Q N X 实时控制层是整个控制系统的灵魂所在，操作节点担任着运行开始前的各种参数设置、远程启动不同节点上的对应进程、协调各节点的运行状态、运行过程中强行终止某个全部进程、运行结束后检查各个进程是否已经正常、安全退出等。数据服务器运行着实时数据库E m p r e s sf o rQ
11、N X，将运行前的各种设置参数、运行过程中的各种状态变化进行备份，便于事后的各种分析操作，它与各台Q N X 节点问的通信采用快万方数据第1 2 期杨恒，等：极向场电源操作系统实时性能测试2 7 3 l 捷的消息传递机制，每1 3 m s 备份一次。反馈运算节点担负着系统各套电源的电流多变量反馈控制计算、接收总控信号、采集各套电源主回路相关信号、传递主回路信号和相关控制信号给1 2 个电源控制器节点、接收1 2 个电源控制器节点返回信号和故障信号等。1 2 台电源控制器节点分别对应1 2 套电源子系统，每台a 子控制器控制4 台晶闸管整流器、一台晶闸管开关及相应的直流和交流配电系统，实现现场硬
12、件设备的初始化、巡检，整流器环流控制，晶闸管开关控制，根据反馈控制节点信号刷新工作电路的状态，更新现场总线控制器的状态表，另外整流器的脉冲封锁信号、晶闸管开关部分控制信号、电容器充放电信号直接由D I O 板卡输出。1 3 极向场实时性的要求极向场电源控制系统是一个实时控制系统，控制周期要求1 m s。为了达到l m s 的控制周期，分别要从软硬件的角度采用多种方法保证控制控制系统能够在一个控制周期内完成每套电源设备的信号采集、运算、通信、执行、数据备份等工作 4 。当硬件确定后，所使用的操作系统的实时性能显得尤为重要，因此要对Q N XR T O S 的实时性能进行测试。实时操作系统性能的好
13、坏有很多指标可以衡量，线程切换时间和中断时间是其中最重要的两个指标，下文将介绍两者的测试。2 线程切换性能测试2 1 线程切换线程切换时间是指操作系统结束当前线程，提取下一个要运行的线程并开始执行所需的时间。Q N X 内核操作频繁发生线程切换，整个系统都需要高效的线程切换操作。线程切换又分为进程间线程切换和进程内线程切换。不同进程间的线程相互切换称之为进程间线程切换，同一进程内的线程切换称为进程内线程切换。系统测试环境：两台相同配置凌华工控机，一台安装Q N XR T O Sv 6 3 2，另一台使用W i n d o w sX P 系统安装Q N XM o m e n t i c sI D
14、 E4 0 1，主机重要参数如下：C P U：I n t e lP e n t i u mM2 0 G H z，F r o n ts i d eb u s：4 0 0 5 3 3 M H zM e m o r y：1 G(n o n E C CD D R 2S O D I M M)C h i p s e t：I n t e l9 1 5 G MG r a p h i cM e m o r yC o n t r o l l e rH u b2 2 线程切换时间测试实现进程内线程切换具体测试方法：创建M a i n 函数，初始化优先级参数，并以此参数在主函数内创建6 个线程。在新建的6 个线程中分
15、别调用s c h e d y i e l d()实现6 个线程间有序循环切换，设定循环次数为1 0 0 0。Q N X 中系统事件以及线程状态在内核中均有记录，当线程运行时操作内核就不停的截取系统内核中的这些记录，产生带有时间戳和C P U 标记的事件，并把这些事件保存到内核缓冲区。在W i n d o w s 平台下使用Q N XM o m e n t i c sI D E4 0 1 中的工具可以获取这些内核缓冲区的数据并且图形化显示。测试时在W i n d o w s 平台下运行Q N XI D E，配置目标机器I P 地址及相关信息实现与目标机的网络通信。在Q N X 平台下启动系统进入
16、超级用户，启动终端执行程序。程序创建6 个具有相同优先级的线程轮流占用处理器并由内核相关程序记录他们的进入和退出时间。由于内核层记录数据量非常庞大，因此只能连续保存短时间的数据进行观察分析。在W i n d o w s 平台I D E 中，设置跟踪时间有3 0 0 0 m s，跟踪模式为宽泛型。跟踪懈统W i r 豳一系统图2 线程切换时间测试流程图完成后I D E 会自启动系统剖析工具，在T i m e l i n e 视图的上方中央会显示这两个标记点间的时间差，精度可以达到n s 级别。鸯m孙_ j社：癌3瓢I嘲鞴鞣糍糯鞭_壮“5备“；各图3 进程内线程切换T i m e l i n e
17、视图t h r e a d l 进入产生t l l 标记，紧前线程S c h e d Y i e l d()函数退出产生标记t 1 2，t h r e a d l 中的S c h e d Y i e l d()进入产生标记t 1 3，t h r e a d l 进入R e a d y 状态产生标记t 1 4，此时线程切换到t h r e a d 2 并进入如上循环，并且6 线程循环分别运行1 0 0 0次。因此线程间切换时间即为t 2 1 一t 1 3，当然t 2 必需是t 1 线程的紧后线程标记时间。使用这种方法统计1 0 0 0 次结果如图4 所示。图4 进程内线程切换时间统计2 3 线程
18、切换时间测试结果分析由图4 可看出进程内线程切换时间，取平均值可得其值约为6 5 0 n s，采用同样的方法可以测得进程间线程切换时间约为1 2 1 0 n s。与同类产品相比Q N X 线程切换性能有很大的优势，满足E A S T 极向场电源控制系统要求。3 中断性能测试3 1 中断延时中断性能是衡量操作系统实时性能的又一个重要指标。中中华测控网c h i n a m c a c o r n万方数据2 7 3 2 计算机测量与控制第1 8 卷断延迟时间是指中断源发出中断请求(I R Q)到中断处理程序表1 中断延迟时间统计中的首指令句柄执行的时间间隔。而中断调度时间是指中断处理程序的从首指令
19、的执行到结束的时间间隔。系统测试环境：一台工控机安装Q N XR T O Sv 6 3 2、示波器、中断源，DI O 卡。图5中断时间测试流程图3 2 中断性能测试实现创建m a i n 函数，初始化相关变量，通过T h r e a d C t l(一N T 0-T C T L _ I O，0)获取硬件I 0 操作权限，使能对DI O 卡的读写操作。设置事件类型为中断型，使I n t e r r u p t W a i t()可以捕获到I S R 结束时的返回事件。使用I n t e r r u p t A t t a c h()把中断源和I S R 关联，当有中断产生时激活I S R。中断处
20、理流程如图5 所示，在Q N X 系统中启动终端并运行程序，初始化中断源使中断请求寄存器(I R QR e g)产生中断请求，同时向DI o 卡指定输出端口置高电平，记为时间t 1。I R Q 通过中断控制器(P C IC o n t r o l l e r)传输给C P U，C P U 会在每个时间周期内扫描中断控制器引脚变化，当发现有中断请求发生时就会立即进行处理，然后转交给I S R。在I S R 进入时向DI O 卡指定输出口置低电平，记为时间t 2。新建线程在线程入口处向DI O 卡指定输出端口置高电平，记时间t 3。当所有线程结束时向DI O 指定输出口为低电平。则t 2一t 1
21、则为中断延时时间，t 3 一t 2 为中断调度时间。通过示波器可以捕捉到DV O 卡的输出波形，进而计算出相应时间间隔。统计1 0 0 次结果如表1、表2 所示。时间范围个数百分比 1 7 9 9 n s(2 4 3 1 a sm a x)77 表2 中断调度时间统计时间范围个数百分比 4 4 0 0 n s(5 1 2 4 n sm a x)2 52 5 3 3 中断性能测试结果分析从表1 可看出中断延时时间主要集中在1 6 弘s 1 8,s 范围内，取平均值可得Q N X 系统中断延时时间为1 7”s。表2中的数据比较分散，分析可知I S R 占用C P U 时间和内核调用的频繁程度相关，
22、对于不同的中断请求执行的I S R 是不相同，他们消耗的时间也会有所差异，因此从我们的程序中测试的结果只能给出中断调度的时间范围大致是5 且s 左右。为了验证实验结果，采用纯软件方法进行测试。测试方法和测试线程切换方法类似，得出中断调度时间为4 7“s，这和纯硬件测得值接近。因此可以认为中断调度时间为5“s，满足E A S T 极向场电源控制系统的实时性要求。4 结论本文介绍了Q N XR T O S 和极向场电源控制系统及其实时性要求，采用软硬件协同的方法测试Q N X 控制系统的线程切换时间和中断时间。测试结果满足系统要求参数，说明E A S T极向场电源系统采用Q N XR T O S
23、满足实时性要求，同时也为国际热核聚变实验堆I T E R 超导磁体电源的实时控制系统选择提供参考。参考文献：1 高格，傅鹏，汤伦军，等H T 一7 u 装置极向场电源变流系统的研制 J 核聚变与等离子体物理，2 0 0 5，2 5(2)：1 2 41 2 5 E 2 3Q N XN e u t r i n oR e a l 一t i m eO p e r a t i n gS y s t e mE Z 3 Q N XS o f t w a r es y s t e mL t d，2 0 0 2，0 2：3 9 4 2 3 段菖蒲，傅鹏基于Q N X 的操作监控平台的设计与实现 J 计算机工程，
24、2 0 0 6，3 2(2 2)：2 1 8 2 2 0 4 姜文波，金欧，贺建飚L i n u x 系统实时方案研究及测试 J 计算机测量与控制，2 0 0 8，1 6(4)：4 6 1 4 6 3 诤蛐嘧阻印产蚋半韭尊蚰堪嶂彤B 淖鲫时咀雕B 乎曲诤旦9 守曲诤驴诤曲诤曲诤韭诤田诤韭半蚰嚼咀舢B 淳韭诤旦9 诤旦9 渺守驰诤曲礴曲渺孚哆诤旦9 诤眇守曲陋诤哆诤i 时i 埘i 时哆诤i 埘i 咐i 咐蚋诤旦9 诤岫埘日掣睁诤曲社蚋博韭(上接第2 7 2 9 页)4 3D e S o u z aGN，K a kAC V i s i o nf o rm o b i l er o b o tn a
25、 v i g a t i o n：aS u r v e y J I E E ET r a n s a c t i o no nP a t t e r nA n a l y s i sa n dM a c h i n eI n t e l l i g e n e，2 0 0 2，2 4(2)：2 3 7 2 6 7 5 U l r i e hI，N o u r b a k h s hI A p p e a r a n c e-b a s e do b s t a c l ed e t e c t i o nw i t hm o n o c u l a rc o l o rv i s i o n
26、A P r o c e e d i n g so ft h eA A A IN a t i o n a lC o n f e r e n c eo nA r t i f i c i a lI n t e l l i g e n c erC A u s t i nT e x a s，U S A，2 0 0 0。8 6 6 8 7 1 中华测控网c h i n a m c a c o r nE 6 B a t a v i aPH，S i n g hS O b s t a c l ed e t e c t i o nu s i n ga d a p t i v ec o l o rs e g m e
27、 n t a t i o na n dc o l o rs t e r e oh o m o g r a p h y A P r o c e e d i n g so ft h eI E E EI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nR o b o t i c sa n dA u t o m a t i o n C S e o u l，K o r e a，M a y，2 0 0 1，7 0 5 7 1 0 7 周庆瑞，原魁，刘俊承移动机器人视觉导航控制研究 J 计算机工程与应用，2 0 0 5，4 1(1 5)：5 8 8 王耀南，李树涛，
28、毛建旭计算机图像处理与识别技术 M 北京：高等教育出版社，2 0 0 5 万方数据极向场电源操作系统实时性能测试极向场电源操作系统实时性能测试作者：杨恒，秦品健，黄连生，马林园，Yang Heng，Qin Pinjian，Huang Liansheng，Ma Lingyuan作者单位：中国科学院等离子体物理研究所,安徽合肥,230031刊名：计算机测量与控制英文刊名：COMPUTER MEASUREMENT&CONTROL年，卷(期)：2010,18(12)参考文献(4条)参考文献(4条)1.姜文波;金欧;贺建飚 Linux系统实时方案研究及测试期刊论文-计算机测量与控制 2008(04)2.段菖蒲;傅鹏 基于QNX的操作监控平台的设计与实现期刊论文-计算机工程 2006(22)3.QNX Neutrino Real-time Operating System 20024.高格;傅鹏;汤伦军 HT-7U装置极向场电源变流系统的研制期刊论文-核聚变与等离子体物理 2005(02)本文链接：http:/