Windows工控主板實時性能測試
與典型的實時操作系統(tǒng)RT-Linux、WinCE、VxWorks等相比，Windows似乎無法直接應用于對實時性有要求的場合。而本文將在安裝了Windows 10 IoT企業(yè)版的ESM8400工控主板上、測試系統(tǒng)實時性能的一個重要指標——中斷響應延時。測試結(jié)果將表明，安裝Windows操作系統(tǒng)的ESM8400工控主板，在啟用軟實時特性后，系統(tǒng)實時性能將顯著提高，在ESM8400上實際測試中斷響應延時能穩(wěn)定的控制在200us以內(nèi)。
ESM8400是基于NXP iMX8MP的 名片尺寸ARM64工控主板，可安裝Windows 10 IoT企業(yè)版操作系統(tǒng)，Windows 10 IoT企業(yè)版就是完整版本的Windows 10，而且支持軟實時特性，下面依次說明如何啟用Windows IoT企業(yè)版系統(tǒng)的軟實時特性，如果開發(fā)支持軟實時的應用程序。最后將對比ESM8400 工作在Windows標準模式和軟實時模式下GPIO中斷響應延時情況。
1. 啟用Windows IoT企業(yè)版 軟實時特性
Windows 10 軟實時是 Windows 10 IoT 企業(yè)版 版本 21H2 的一項新功能，它允許設備制造商在其設備上引入軟實時功能。此實時行為通過 4 個關鍵設置引入：
1. CPU 隔離：將系統(tǒng)級干擾從隔離的 CPU 遷移出去，減少對用戶實時應用程序的潛在抖動。
2. 獨立 CPU 上的自定義 ISR/DPC 固定：所有硬件中斷都路由到系統(tǒng)和非實時內(nèi)核，但通過編寫自定義 ISR/DPC 驅(qū)動程序，可以將設備特定的中斷路由到實時內(nèi)核。
3. 互斥體的優(yōu)先級繼承：此設置可確保執(zhí)行最高優(yōu)先級的線程，即使在復雜的多線程場景中也是如此。
4. 最多 16 個 RT 線程優(yōu)先級別：這使程序員能夠在實時任務間分配資源，以確保首先執(zhí)行最重要的任務。
1.1 啟用Windows IoT企業(yè)版 軟實時特性
在Windows管理員命令提示符下執(zhí)行以下腳本：
::禁用空閑狀態(tài) powercfg.exe / setacvalueindex SCHEME_CURRENT SUB_PROCESSOR IdleDisable 1 powercfg.exe / setactive SCHEME_CURRENT ::禁用診斷策略服務DPS sc query dps sc stop dps sc config dps start = disabled ::禁用Windows音頻 sc query Audiosrv sc stop Audiosrv sc config Audiosrv start = disabled ::禁用SysMain sc query SysMain sc stop SysMain sc config SysMain start = disabled ::禁用Windows更新 sc query wuauserv sc stop wuauserv sc config wuauserv start = disabled ::禁用線程 DPC reg add "HKLM\System\CurrentControlSet\Control\Session Manager\kernel" / v ThreadDpcEnable / t REG_DWORD / f / d 0
1.2 為實時應用分配CPU核心
將系統(tǒng)配置為實時性能，需要提供要分配給實時任務的 CPU 核心數(shù)，其余部分用于運行系統(tǒng)或標準用戶任務。 必須在 Windows IoT CSP SetRTCores 節(jié)點中提供數(shù)值，這是專用于實時工作負載的 CPU 核心數(shù)，有效數(shù)值必須至少為 1 且小于 CPU 中的物理核心數(shù)。ESM8400主CPU為4核ARM Cortex-A53，建議將1個核作為實時任務的CPU核心。
需要注意的是，軟實時功能一旦啟用，就只能對分配的CPU核心數(shù)進行調(diào)整，要完全禁用軟實時只能重裝Windows系統(tǒng)。
1. 下載 psexec 工具。
2. 運行管理命令提示符。
3. 在命令提示符下，在系統(tǒng)帳戶下啟動 PowerShell psexec.exe -s -i powershell.exe
4. 執(zhí)行以下腳本：
$nameSpaceName = "root\cimv2\mdm\dmmap" $className = "MDM_WindowsIoT_SoftRealTimeProperties01" $obj = Get - CimInstance - Namespace $namespaceName - ClassName $className Add - Type - AssemblyName System.Web Set - CimInstance - CimInstance $obj $obj.SetRTCores = 1 Set - CimInstance - CimInstance $obj
5. 重啟計算機以激活更改。
2. 開發(fā)軟實時應用程序
將設備配置為實現(xiàn)實時性能后，可以將應用程序設置為使用標準 Win32 API 進行實時運行。賦予線程或進程實時性能的唯一因素是線程/進程優(yōu)先級排名和 CPU 核心關聯(lián)。
若要獲取特定線程或進程的實時性能，其優(yōu)先級應在實時性能范圍內(nèi)，并且應將其關聯(lián)設置為在實時內(nèi)核上運行。
配置實時進程
1. 使用 SetPriorityClass 函數(shù) ：將進程的 ProcessPriorityClass 屬性設置為 REALTIME_PRIORITY_CLASS。
2. 使用 SetProcessAffinityMask 函數(shù) 將進程設置為僅在為實時應用程序保留的內(nèi)核上運行
配置實時線程
1. 使用 NtSetInformationThread 函數(shù) 將線程的 ThreadBasePriority 設置為 16 到 31 之間的值
2. 使用 SetThreadAffinityMask 函數(shù) 將線程設置為僅在為實時應用程序保留的內(nèi)核上運行
3. GPIO中斷響應延時測試
中斷響應延時測試方法是：利用ESM8400的GPIO0作為中斷觸發(fā)信號，持續(xù)翻轉(zhuǎn)高低電平輸出，GPIO1中斷輸入管腳。利用Windows系統(tǒng)的QPC計數(shù)器，在操作GPIO0翻轉(zhuǎn)之前調(diào)用QPC獲取時間戳，在GPIO1中斷響應回調(diào)函數(shù)中再次獲取時間戳，然后計算兩個時間之間的間隔，以此完成GPIO中斷響應延時的精確測量。硬件上需要在ESM8400評估底板上用跳線器將ESM8400的GPIO0與GPIO1短接進行測試。
參考本文第1節(jié)，我們已經(jīng)可以將ESM8400設置成軟實時模式，參考第2節(jié)讓測試程序在分配的實時CPU核心上運行。
下面分別統(tǒng)計了1千萬次Windows工作在標準模式與實時模式時、系統(tǒng)CPU空閑和高負載情況下、GPIO中斷響應延時時間。
可以看到當CPU空閑時，無論Windows是否工作在實時模式，99.99%的中斷響應都小于200us。當CPU負載加重時，Windows標準模式下的中斷響應時間變得極不確定，而實時模式下的中斷響應時間幾乎不受CPU負載的影響，仍然確保99.99%的中斷在200us內(nèi)得到響應。
下圖對GPIO中斷響應最大延時的測量，更能直觀反映Windows標準模式與實時模式在系統(tǒng)實時性能上的差距。
