📚 课程目录第2章任务切换时间测量

2. 任务切换时间测量

任务目标

在VxWorks中，任务切换时间直接反映系统实时性。本案例使用系统高精度计时器clock_gettime()测量两个不同优先级任务交替唤醒时的上下文切换开销，并给出可重复的测量方法与判定标准。

测量原理

任务A记录当前时间t1后释放信号量并阻塞；任务B获取信号量后立即记录时间t2。t2 - t1即为一次从A切换到B的完整开销（含调度器决策与上下文恢复）。交替测量多次取平均值，可消除单次抖动。

完整实现代码

/* task_switch_measure.c */
#include <vxWorks.h>
#include <taskLib.h>
#include <semLib.h>
#include <time.h>
#include <stdio.h>

#define MEASURE_COUNT  1000

static SEM_ID semSwitch;
static struct timespec tA, tB;
static volatile int switchCount = 0;
static double totalNsec = 0.0;

/* 高优先级任务：记录时间并释放信号量 */
static void highPrioTask(void)
{
    while (switchCount < MEASURE_COUNT) {
        clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &tA);
        semGive(semSwitch);          /* 唤醒低优先级任务 */
        taskDelay(0);                /* 主动让出CPU，触发切换 */
    }
}

/* 低优先级任务：记录接收时间，计算差值 */
static void lowPrioTask(void)
{
    while (switchCount < MEASURE_COUNT) {
        semTake(semSwitch, WAIT_FOREVER);
        clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &tB);

        double diff = (double)(tB.tv_sec - tA.tv_sec) * 1e9 +
                      (double)(tB.tv_nsec - tA.tv_nsec);
        totalNsec += diff;
        switchCount++;
    }
}

void measureTaskSwitch(void)
{
    semSwitch = semBCreate(SEM_Q_PRIORITY, SEM_EMPTY);
    if (semSwitch == NULL) {
        printf("Semaphore creation failed\n");
        return;
    }

    /* 创建低优先级任务(优先级100)，先就绪但不运行 */
    taskSpawn("tLow", 100, 0, 0x2000, (FUNCPTR)lowPrioTask, 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0);
    taskDelay(1);   /* 确保低优先级任务已阻塞在semTake上 */

    /* 创建高优先级任务(优先级50)，开始测量 */
    taskSpawn("tHigh", 50, 0, 0x2000, (FUNCPTR)highPrioTask, 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0);

    /* 等待测量完成 */
    while (switchCount < MEASURE_COUNT)
        taskDelay(1);

    double avgNsec = totalNsec / MEASURE_COUNT;
    printf("Task switch time: %.2f ns (avg of %d switches)\n",
           avgNsec, MEASURE_COUNT);
}

运行与验证

将代码编译为可下载模块，在VxWorks shell中加载。
调用measureTaskSwitch()启动测量。
观察串口输出，应显示类似：
Task switch time: 1850.00 ns (avg of 1000 switches)
（具体数值取决于CPU型号、主频与VxWorks配置）

判定通过条件：程序正常返回且打印平均切换时间；连续运行两次结果偏差小于20%，说明测量稳定。若输出为0或极大值，检查CLOCK_MONOTONIC是否被BSP支持（可用clock_getres()确认分辨率）。

关键说明

高优先级任务通过taskDelay(0)让出CPU，触发调度器切换到已就绪的低优先级任务，这是测量切换的必要条件。
信号量采用优先级排队（SEM_Q_PRIORITY），确保低优先级任务先阻塞等待，避免优先级反转影响测量。
测量值包含信号量give/take操作开销，但该开销为固定常数，不影响相对比较——如需纯切换开销，可先测量空信号量操作耗时并扣除。
若需分析不同优先级差的影响，可修改taskSpawn中的优先级参数（如将高优先级改为60、70）重新测量对比。