【寫(xiě)在前面的話】

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在本系列的第一篇文章《實(shí)時(shí)性迷思(1)——快是優(yōu)點(diǎn)么？》中，我們介紹了實(shí)時(shí)性的基本模型：

并得出兩個(gè)重要的結(jié)論：

• 實(shí)時(shí)性只關(guān)注“是否能在實(shí)時(shí)性窗口內(nèi)完成對(duì)應(yīng)事件的處理”，而與事件處理的快慢無(wú)直接關(guān)系；

• 從應(yīng)用整體的角度來(lái)看，實(shí)時(shí)性窗口內(nèi)越靠前的時(shí)間越珍貴；

  
  

這個(gè)模型本身并不復(fù)雜，但 “你以為你懂了” 和 “能夠回答實(shí)際問(wèn)題” 或者是“能夠得出有意義的推論” 還是有相當(dāng)?shù)木嚯x的。比如上一篇文章《實(shí)時(shí)性迷思(2)——“時(shí)間片輪轉(zhuǎn)”的沙子》，我們就推導(dǎo)出了“驚人”的結(jié)論： 高頻率的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)會(huì)浪費(fèi)大量處理器時(shí)間，從最終效果來(lái)看對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是有害的！

今天我們繼續(xù)來(lái)借助實(shí)時(shí)性模型來(lái)研究一個(gè)看似鐵板釘釘?shù)膯?wèn)題：

• 當(dāng)應(yīng)用在運(yùn)行時(shí)有大比例的時(shí)間屏蔽了中斷，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性還有救么？

• 當(dāng)應(yīng)該頻繁的開(kāi)關(guān)中斷，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性還有救么？

這里的兩個(gè)問(wèn)題，其實(shí)都沒(méi)有切中要害，如果硬要回答的話，有經(jīng)驗(yàn)的老鳥(niǎo)會(huì)首先說(shuō)： 你提供的信息不足。

這又是為什么呢？（懶得看中間過(guò)程的小伙伴可以直接看文章最后的結(jié)論）

【從一個(gè)例子開(kāi)始】

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復(fù)雜的理論不必多說(shuō)，我們首先來(lái)看一個(gè)極端的例子：

int main(void){ ...  while(1) { __disable_irq(); //!?關(guān)閉全局中斷 do_some_work(); //!?經(jīng)過(guò)測(cè)量，占用了7個(gè)周期 __enable_irq(); //! 開(kāi)啟全局中斷 }}

這個(gè)代碼本身并不復(fù)雜，事實(shí)上，它在前后臺(tái)系統(tǒng)中非常典型。作為例子，這里有幾個(gè)要點(diǎn)需要首先明確：

• 這只是一個(gè)例子，它存在的意義是為我們提供一個(gè)討論的起點(diǎn)，請(qǐng)不必在意和猜測(cè)它在實(shí)際應(yīng)用中的意義；

• 假設(shè) __disable_irq() 消耗一個(gè)周期；當(dāng)它執(zhí)行完成后，全局中斷會(huì)被關(guān)閉；

• 假設(shè) __enable_irq() 消耗一個(gè)周期；當(dāng)它執(zhí)行完成后，全局中斷會(huì)被打開(kāi)；

• 假設(shè) 這里的 while(1) {} 導(dǎo)致的循環(huán)跳轉(zhuǎn)（無(wú)條件跳轉(zhuǎn)）會(huì)消耗一個(gè)周期（其實(shí)Cortex-M3/M4就是這樣）；

• 函數(shù) do_some_work() 消耗7個(gè)周期。

基于上述假設(shè)，我們很容易發(fā)現(xiàn)，在一次循環(huán)中：

• 從執(zhí)行 do_some_work() 開(kāi)始到 __enable_irq() 執(zhí)行結(jié)束，總共 7+1=8 個(gè)周期——在這期間，中斷都是被屏蔽的；

• 自從“無(wú)條件跳轉(zhuǎn)”開(kāi)始到 __disable_irq() 執(zhí)行結(jié)束，總共 1+1=2 個(gè)周期——在這期間，全局中斷是可以被響應(yīng)的；

• 整個(gè)循環(huán)占用10個(gè)周期：其中8個(gè)周期中斷被屏蔽。又由于這是main函數(shù)內(nèi)的超級(jí)循環(huán)，因此可以大體推斷出：在整個(gè)應(yīng)用執(zhí)行期間 80% 的時(shí)間中斷是被屏蔽的。

  
  

這符合本文一開(kāi)頭所提出的兩個(gè)問(wèn)題的條件，即：大比例的時(shí)間屏蔽了中斷 和 頻繁的開(kāi)關(guān)中斷。

【是時(shí)候搬出模型了……】

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那么，在這個(gè)例子中，實(shí)時(shí)性會(huì)受到怎樣的影響呢？我們不妨結(jié)合模型，看一個(gè)最壞情況，即，剛開(kāi)始執(zhí)行 do_some_work() 的時(shí)候，某一事件發(fā)生——實(shí)時(shí)性窗口開(kāi)始計(jì)時(shí)：

再圖中，由于中斷被屏蔽而導(dǎo)致事件無(wú)法被響應(yīng)，這段時(shí)間被稱為“ 事件無(wú)法響應(yīng)時(shí)間”，結(jié)合模型容易得出：
結(jié)論1：

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只要“事件無(wú)法響應(yīng)時(shí)間”與“處理事件所需時(shí)間”的總和超過(guò)了“實(shí)時(shí)性窗口”，當(dāng)前事件處理的實(shí)時(shí)性就無(wú)法保證了。

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正如前面幾篇文章一再?gòu)?qiáng)調(diào)的那樣，時(shí)間的實(shí)時(shí)性窗口是來(lái)自物理世界的，基于物理時(shí)間計(jì)算的絕對(duì)值。這里CPU周期其實(shí)是一個(gè)相對(duì)值——系統(tǒng)頻率越高，8個(gè)周期對(duì)應(yīng)的物理時(shí)間就越短；系統(tǒng)頻率越低，8個(gè)周期對(duì)應(yīng)的物理時(shí)間就越長(zhǎng)（當(dāng)然還要考慮處理事件所需的時(shí)間也會(huì)隨著頻率的變化而變化）。對(duì)現(xiàn)今大部分動(dòng)輒幾十兆赫茲，或者上百兆赫茲的單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，8個(gè)周期可能連1us都不到（作為參考當(dāng)系統(tǒng)是 8MHz時(shí)，8個(gè)周期正好1us）。
結(jié)論2：

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當(dāng)且僅當(dāng)系統(tǒng)頻率已知時(shí)，我們才能根據(jù)CPU的周期數(shù)計(jì)算出“ 事件無(wú)法響應(yīng)時(shí)間”和“ 處理時(shí)間所需時(shí)間”——也 只有都換算成相同單位時(shí)，與實(shí)時(shí)性窗口的比較才有意義。

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一個(gè)應(yīng)用中往往有多個(gè)具有實(shí)時(shí)性要求的事件，在已知系統(tǒng)頻率的情況下，我們可以將“事件無(wú)法響應(yīng)時(shí)間” 拉到每一個(gè)實(shí)時(shí)性窗口中一一比較，只要任何一個(gè)不滿足，我們就可以宣告整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的破產(chǎn)。然而，如果所有單獨(dú)比較的結(jié)果都令人滿意，我們是否就可以宣告：由屏蔽中斷所導(dǎo)致的“ 事件無(wú)法響應(yīng)時(shí)間”足夠短，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性造成影響呢？——高興的太早了。

【CPU資源磨刀霍霍……】

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一個(gè)實(shí)時(shí)性應(yīng)用中往往不止一個(gè)事件有實(shí)時(shí)性要求，因此，判斷系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是否所有保證從來(lái)都不是只單純的在每一個(gè)實(shí)時(shí)性窗口內(nèi)做比較就能解決的。就像上面所說(shuō)的那樣，由于屏蔽中斷的時(shí)候，任何事件都可能發(fā)生，因此，由屏蔽導(dǎo)致的“事件無(wú)法響應(yīng)時(shí)間”必須帶入到每一個(gè)實(shí)時(shí)性窗口中去進(jìn)行比較。
僅僅只是這樣，仍然不夠。由于CPU資源有限，我們還必須確認(rèn)在“最差情況下”扣除了中斷屏蔽期間所占用的CPU資源后，仍然有足夠的CPU資源來(lái)滿足其它實(shí)時(shí)性窗口的需求。關(guān)于如何計(jì)算每個(gè)實(shí)時(shí)性任務(wù)的CPU資源占用，可以通過(guò)文章《實(shí)時(shí)性迷思(2)——“時(shí)間片輪轉(zhuǎn)”的沙子》來(lái)復(fù)習(xí)，仍然有印象的同學(xué)可以直接看下面這張圖片來(lái)喚醒記憶：

這里有一個(gè)誤區(qū)非常值得闡明：即，在前面的例子中，我們說(shuō)“系統(tǒng)有80%的時(shí)間都在屏蔽中斷”，這是否意味著，屏蔽中斷占用了 80%的CPU資源——只剩下20%的CPU時(shí)間用于實(shí)時(shí)性處理了呢？也許你愣住了。但答案很類似腦經(jīng)急轉(zhuǎn)彎——并不是這樣，因?yàn)樵谖覀冇懻摰那昂笈_(tái)系統(tǒng)中，其實(shí)隱含了一個(gè)假設(shè)——實(shí)時(shí)性的響應(yīng)是通過(guò)中斷來(lái)進(jìn)行的——既然是中斷，就是可搶占的，因此，即便8個(gè)周期內(nèi)無(wú)法響應(yīng)， 只要那一個(gè)周期開(kāi)了口子，CPU的資源就被實(shí)時(shí)性處理程序搶走了。

思考這個(gè)問(wèn)題，實(shí)際上直接引出了第三個(gè)重要的結(jié)論：

結(jié)論3：

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“事件無(wú)法響應(yīng)時(shí)間” 不看積累下來(lái)的總量，而 只看單次最大能連續(xù)拖延實(shí)時(shí)性相應(yīng)多久。

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要理解這個(gè)結(jié)論，其實(shí)并不困難。這就好比PWM，在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，占空比相同而頻率不同的PMW，其高電平的總時(shí)間是相同的（占空比相同）；但頻率不同的PMW實(shí)際上每次高電平的持續(xù)時(shí)間是不同的——頻率越低，當(dāng)然每個(gè)周期內(nèi)高電平時(shí)間越長(zhǎng)。

套用到屏蔽中斷對(duì)實(shí)時(shí)性的影響上來(lái)說(shuō)：
推論1：

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屏蔽中斷并不可怕，哪怕積累下來(lái)的時(shí)間占比很大，只要每次屏蔽的時(shí)間足夠短，就能有效的減小對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的影響——換句話說(shuō)，高頻率的開(kāi)關(guān)中斷很可能還是有益實(shí)時(shí)性的（關(guān)鍵還看 推論2）。

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推論2：

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如果系統(tǒng)中存多個(gè)對(duì)實(shí)時(shí)性響應(yīng)的屏蔽（比如裸機(jī)中的屏蔽中斷、RTOS中的關(guān)閉調(diào)度），根據(jù)木桶原理，只 以單次屏蔽時(shí)間最長(zhǎng)的那個(gè)來(lái)評(píng)估對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的影響。

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【問(wèn)出正確的問(wèn)題】

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文章的開(kāi)始部分，我們提出了兩個(gè)問(wèn)題：

• 當(dāng)應(yīng)用在運(yùn)行時(shí)有大比例的時(shí)間屏蔽了中斷，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性還有救么？

• 當(dāng)應(yīng)該頻繁的開(kāi)關(guān)中斷，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性還有救么？

現(xiàn)在我們知道，這兩個(gè)問(wèn)題都忽略了一個(gè)重要的信息，即：這個(gè)系統(tǒng)中單次屏蔽中斷最長(zhǎng)的時(shí)間是多少？一旦我們獲得了這個(gè)時(shí)間，我們就可以問(wèn)出正確的問(wèn)題：

• 已知當(dāng)前系統(tǒng)中，最大的中斷屏蔽時(shí)間長(zhǎng)度為 Tmask；系統(tǒng)頻率為 F；對(duì)已有的實(shí)時(shí)性事件處理來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是否仍然能夠得到保證？

對(duì)每一個(gè)具體的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，求解過(guò)程也很簡(jiǎn)單：

• 由于屏蔽中斷的時(shí)候，任何實(shí)時(shí)性事件都有可能發(fā)生，因此我們要重新計(jì)算系統(tǒng)的CPU資源占用——評(píng)估它是否接近或超過(guò)了 100%

• 計(jì)算每一個(gè)實(shí)時(shí)性任務(wù)的CPU占用時(shí)，都要把“事件無(wú)法響應(yīng)”Tmask 加到 “處理事件所需時(shí)間” 里——作為分子去除以作為分母的“實(shí)時(shí)性窗口”：

【小結(jié)】

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如果上述討論讓你頭疼，那么記住下面的內(nèi)容基本都不會(huì)有錯(cuò)：

• 頻繁開(kāi)關(guān)中斷并不可怕；

• 別管關(guān)閉中斷的時(shí)間總比例是多大，這沒(méi)意義；

• 找到系統(tǒng)中關(guān)閉中斷時(shí)間最長(zhǎng)的那個(gè)代碼，測(cè)量它占用的時(shí)間——它才是罪魁禍?zhǔn)祝?

• 使用“以小換大策略”——借助一切可能的手段，使用小的屏蔽來(lái)替換掉長(zhǎng)時(shí)間的屏蔽——無(wú)論是屏蔽中斷還是RTOS里的屏蔽調(diào)度，道理都是一樣的。

• RTOS里盡可能用 mutex，而不要長(zhǎng)時(shí)間關(guān)調(diào)度——因?yàn)閙utex幾乎是RTOS可以提供的屏蔽時(shí)間最短的手段了。

• 裸機(jī)自求多福。

—— The End?— —?