Systemstruktur und Echtzeitverhalten - Analyse und Vergleich von Windows CE 5.00 und von Erik Merkel

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1 Systemstruktur und Echtzeitverhalten - Analyse und Vergleich von Windows CE 5.00 und 6.00 von Erik Merkel

2 Gliederung 1. Motivation 2. Allgemeines zu Windows CE 3. Systemstruktur 4. Unterschiede zwischen CE 5 und CE 6 5. Leistungsvergleich 6. Fazit

3 Motivation Kernel Quellcode frei verfügbar, aber nur Schnittstellen sind dokumentiert Es gibt kaum Erkenntnisse über interne Arbeitsweise von CE Mit CE 6 wurde neues Prozess- und Speichermodell eingeführt Keine Informationen über Einfluss auf Leistung und Echtzeitfähigkeit des neuen Prozessmodells Ziel der Arbeit: Dokumentation der Kernelstruktur Analyse der Änderungen zwischen CE 5 und 6 Evaluation beider Versionen auf unterschiedlichen Hardware- Plattformen

4 1. Motivation 2. Allgemeines zu Windows CE 3. Systemstruktur 4. Unterschiede zwischen CE 5 und CE 6 5. Leistungsvergleich 6. Fazit

5 Historisches zu CE 1996 auf den Markt gekommen Ursprüngliche Zielgruppe: Kleinstcomputer mit graphischem Interface (PDAs, Mobiltelefone, Pocket PCs) Designziele: Optimierung für sparsamen Umgang mit Betriebsmitteln Flexibilität durch Modularisierung und Konfigurierbarkeit Gleiches Look & Feel der GUI wie Desktop Windows Kompatibilität mit Win32-API Optimierung für Echtzeit seit Version 3 Anpassung des Schedulers zur Behandlung von Prioritätsinversionen Entfernung von Schleifen mit variabler Laufzeit auf allen kritischen Pfaden im Kern Erweiterung der Prioritätsstufen

6 Unterstützte Hardware Nur für 32-Bit CPUs Unterstützt werden ARM, MIPS, SHx und x86 CPUs Keine Multiprozessorunterstützung CPU-Unterstützung nicht von OEMs erweiterbar MMU zwingend erforderlich für Speicherverwaltung Page-Größe 4 KB Kein Swapping, aber memory mapped files Maximal 512 MB physikalischer Speicher können von CE verwaltet werden Vielzahl von Gerätetreibern mitgeliefert, teilweise im Quellcode On-Target Debugging über Ethernet, USB oder RS232

7 1. Motivation 2. Allgemeines zu Windows CE 3. Systemstruktur 4. Unterschiede zwischen CE 5 und CE 6 5. Leistungsvergleich 6. Fazit

8 Systemstruktur Quelle: Microsoft [1 Betriebssystemschicht: Application Layer Hardware-Abstraktionsschicht Generischen Kernel für alle CPUs Win32 API MS Windows CE Applications Operating System Layer Custom Applications Win32 API Internet Client Services OEM Schicht: Graphic Windowing and Event System (GWES) Device Manager Communication and Networking Von OEMs bereitgestellt Enthält plattformspezifische Anpassungen Treiber von MS oder OEM OS- und OEM-Schicht ergeben Board Support Package (BSP) Kernel with HAL OEM Layer OEM Adaptation Layer (OAL) Boot Loader Configuration Files Hardware Device Drivers

9 Scheduling Round-Robin-Algorithmus auf Basis von Thread-Prioritäten (256 Stufen) Thread-Datenstrukturen in doppelt verketteter Liste Hash-Tabelle mit 32 Einträgen zum schnellen Zugriff System-Tick variabel oder statisch (wenn statisch 1 ms) Thread-Quantum 100 ms (änderbar) 1-stufige Prioritätsvererbung bei Inversion Echtzeit-Klassifizierung nur über Priorität prunnable pth T 0 0 T1 0 [ ] T x 0 T0 1 T 1 1 T x 1 T0 2 T 1 2 Tx 2 [ ] [ ] [ ] T 0 y T 1 y T x y Highest Priority Lowest Priority

10 Treiber in CE Teilung der Interrupt-Behandlung in zwei Stufen: 1. Stufe: Interrupt Service Routine (Prolog) Ausführung im Kontext des Exception-Handlers Unterbrechbarkeit architekturabhängig Ziel: Interrupt quittieren und Ereignis dem Scheduler mitteilen Gibt logische Interrupt Nummer (SYSINTR) zurück mit welcher der passende Interrupt Service Thread ausgewählt wird 2. Stufe: Interrupt Service Thread (Epilog) Eigentliche Ereignisbehandlung Ausführung im Kontext des Device Managers Gewöhnlicher Thread mit Priorität

11 Interrupt-Behandlung (1) Interrupt Anwendung Scheduler Exception- Handler ISR (Prolog) IST (Epilog) Zeit ISR Latenz IST Latenz

12 Interrupt-Behandlung (2) Interrupt Anwendung Scheduler Exception- Handler ISR (Prolog) IST (Epilog) Zeit ISR Latenz IST Latenz

13 1. Motivation 2. Allgemeines zu Windows CE 3. Systemstruktur 4. Unterschiede zwischen CE 5 und CE 6 5. Leistungsvergleich 6. Fazit

14 Virtueller Adressraum in CE 5 Kernel Addresses: KPAGE, Trap Area, Others unused Slot 97: NK.EXE unused Kernel space 2 GB Shared Memory: Memory-mapped files and Object Store Statically mapped physical memory (uncached) Statically mapped physical memory (cached) 2 GB Kernel space User space 2 GB Total 4 GB Virtual space Slot 31: Process #30 [ ] Slot 3 : Process #2 Slot 2 : Process #1 Slot 1 : XIP DLL Code Slot 0 : Active Process 2 GB User space

15 Das DLL Problem in CE 5 Process 1 Process 2 Process 3 01FF FFFF coredll.dll coredll.dll coredll.dll other DLLs other DLLs other DLLs DLL A DLL A DLL A DLL B DLL C DLL D 32 MB Stack Stack Heap Stack Heap Heap Code Code Code reserved reserved reserved

16 Virtueller Adressraum in CE 6 Kernel Addresses: KPAGE, Trap Area, Others Shared system heap Kernel virtual memory (if supported by CPU) Kernel virtual memory Object Store Kernel XIP DLLs Kernel space 2 GB RAM backed Mapfiles Shared user DLLs Statically mapped physical memory (uncached) Statically mapped physical memory (cached) 2 GB Kernel space User space 2 GB Total 4 GB Virtual space Process space Process space Process space Process space Active process space 64 kb guard section 2 GB User space

17 Änderungen bei Treibern Device Manager ist in CE 5 ein eigenständiger Prozess (Usermode Treiber) Folge: Kontextwechsel zum Device Manager Prozess bei jedem Ereignis Device Manager ist Bestandteil des Kernels in CE 6 (Kernelmode Treiber) Folge: kein Kontextwechsel mehr nötig Usermode Treiber mit eigenem Prozess optional möglich in CE 6 Kontextwechsel wieder nötig, aber viel teurer als in CE Nur eingeschränkter Zugriff auf Betriebsmittel

18 1. Motivation 2. Allgemeines zu Windows CE 3. Systemstruktur 4. Unterschiede zwischen CE 5 und CE 6 5. Leistungsvergleich 6. Fazit

19 Testkonzept Was soll getestet werden: Messung der Behandlungslatenzen in den einzelnen Treiberstufen Analyse der Datenaustausch-Primitive zwischen Treiber und Anwendung Zeit für Kontextwechsel bei Signalisierung von Ereignissen Wie wird gemessen: Laufzeiten werden mit Hilfe eines CPU-Timers bestimmt Interrupts werden vom CPU-Timer ausgelöst Messungen auf einer ARM- und einer MIPS-Plattform

20 Latenzmessung CPU-Timer löst Interrupt aus Timer so programmiert, dass Zähler bei Interrupt auf Null gesetzt wird Auslesen der Zähler in ISR und IST Abfragen des ISR-Zählerstands über Kernel IOControl Speichern der Zählerwerte in IST Anwendung Scheduler Exception- Handler ISR (Prolog) IST (Epilog) Interrupt Offlineauswertung der Messergebnisse Wiederholung der Messreihe mit verschiedenen Lastprofilen ISR Latenz IST Latenz Zeit

21 IST Latenzen (ARM) 225 Minimum Maximum Average 180 Time in microseconds , ,9 20,5 9,3 3 3,7 3 4,1 4 5,2 8,4 10,7 8, , idle CE 5 idle CE 6 idle CE 6 UM Interrupts CE 5 Interrupts CE 6 Interrupts CE 6 UM Matrix CE 5 Matrix CE 6 Matrix CE 6 UM Interrupts & Matrix CE 5 Interrupts & Matrix CE 6 45,5 Interrupts & Matrix CE 6 UM

22 Verteilung IST Latenzen (ARM) Histogramm der IST-Verteilung bei zusätzlicher Interruptquelle CE CE 6 Kernel Mode Number of Interrupts Time in Microseconds Time in Microseconds

23 IST Latenzen MIPS Time in microseconds Minimum Maximum Average ,0 41,7 22,0 24,7 25,2 22,2 22,0 29,6 26,2 26, ,2 9 11, idle CE 5 idle CE 6 idle CE 6 UM Interrupts CE 5 Interrupts CE 6 Interrupts CE 6 UM Matrix CE 5 Matrix CE 6 Matrix CE 6 UM Interrupts & Matrix CE 5 Interrupts & Matrix CE 6 Interrupts & Matrix CE 6 UM

24 Datentransfer-Strategie CE 5: Pointer zeigen immer auf Strukturen in Slot 0 Verdrängte Prozesse befinden sich in Slots 2-31 Pointer werden auf den Prozess Slot umgeleitet zu dem sie gehören und Zugriffsrechte angepasst CE 6: Kernel-Mode Treiber können übergebene Zeiger direkt benutzen (synchroner Zugriff) Kernel blendet automatisch Speicher für User-Mode Treiber ein (page mapping) Eingebettete Zeiger müssen durch System-Calls im User- Mode Treiber entpackt werden (Speicher wird kopiert)

25 Kontextwechsel Messung erzwungener Kontextwechsel durch Event- Signalisierung: Event-Mechanismus wird auch verwendet, um Treiber über neue Interrupts zu informieren Die Signalisierung erzeugt Overhead zusätzlich zum Kontextwechsel Kontextwechsel können zwischen Threads eines Prozesses oder zwischen mehreren Prozessen stattfinden Overhead von Prozesswechseln ist stark architekturabhängig Messung: Ein Thread (Prozess) wartet auf ein Event Ein zweiter Thread (Prozess) signalisiert das Event Der Signalisierer wird schlafen gelegt (Verzicht auf restliches Thread- Quantum) Der wartende Thread (Prozess) wird geweckt In beiden Akteuren wird jeweils der CPU-Timer ausgelesen um die Dauer des Wechsels zu bestimmen Messung mit und ohne CPU-Cache-Invalidierung

26 Kontextwechsel Windows CE Version Test Case CPU Instruction Cache State on ARM Latency on MIPS CE 5 process switch thread switch cached cache discarded cached cache discarded 19.9 µs 79.9 µs 5.0 µs 55.9 µs 20.8 µs 42.2 µs 20.9 µs 42.0 µs CE 6 process switch thread switch cached cache discarded cached cache discarded µs µs 6.4 µs 70.1 µs 30.0 µs 52.8 µs 30.0 µs 52.5 µs

27 1. Motivation 2. Allgemeines zu Windows CE 3. Systemstruktur 4. Unterschiede zwischen CE 5 und CE 6 5. Leistungsvergleich 6. Fazit

28 Fazit Laufzeitverhalten: Deutliche Verschlechterung der Worst-Case Interrupt Latenzen Verbesserung der durchschnittlichen Interrupt Latenz Prozess-Kontextwechsel sind je nach Plattform um Größenordnungen teurer Speicherverwaltung: Keine Beschränkungen mehr auf sehr kleine virtuelle Adressräume pro Prozess DLL Problem entschärft Usermode Treiber Nur sinnvoll bei E/A-armen Aufgaben Wenn keine privilegierten CPU-Instruktionen benötigt werden

29 Fragen oder Anmerkungen?

30 Quellen Grafiken: [1]: Microsoft Corp. Windows CE Architecture

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