嵌入式軟件跟蹤信息嵌套緩存機制和解析機制的設(shè)計

　　引言

　　嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)今計算機軟件領(lǐng)域的熱點，實時性是嵌入式系統(tǒng)的基本要求。隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，在嵌入式應(yīng)用的不斷增長以及嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜性不斷提高的情況下，調(diào)試階段在整個系統(tǒng)開發(fā)過程中所占的比重越來越大。調(diào)試環(huán)境和調(diào)試技術(shù)直接影響軟件開發(fā)的效率和質(zhì)量，高效的調(diào)試系統(tǒng)可以大大減少嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的時間，減輕系統(tǒng)開發(fā)工作量。

　　跟蹤調(diào)試系統(tǒng)主要有JTAG在線調(diào)試和運行時跟蹤調(diào)試兩種方式。JTAG在線調(diào)試在調(diào)試實時系統(tǒng)時有很大的局限性，如通過斷點查詢完參數(shù)后系統(tǒng)無法再按照正常時序運行，以及無法檢測到系統(tǒng)順序化執(zhí)行的變遷狀態(tài)。運行時跟蹤調(diào)試采用軟件插樁技術(shù)，通過在程序中嵌入跟蹤點，開發(fā)人員可以在程序運行過程中通過跟蹤點實時觀察輸出的信息，如各模塊之間進(jìn)行交互的信息以及程序運行的順序等。

　　本項目設(shè)計的實時跟蹤系統(tǒng)基于運行時跟蹤調(diào)試手段，采用ARM11系列處理器作為硬件開發(fā)平臺，運行于Nucleus實時操作系統(tǒng)上。Nucl eus實時操作系統(tǒng)為搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)，在程序執(zhí)行過程中，低優(yōu)先級任務(wù)會被高優(yōu)先級任務(wù)搶占，可能出現(xiàn)跟蹤任務(wù)沖突而導(dǎo)致跟蹤信息相互覆蓋、亂序等問題。特別是在跟蹤信息量較大時，一旦超過傳輸峰值就會造成跟蹤信息的丟失。該實時跟蹤系統(tǒng)采用特殊緩存機制和解析機制，能夠解決跟蹤信息丟失的問題，實現(xiàn)跟蹤信息的完整、有序傳輸。

　　1 原始跟蹤方案

　　實時跟蹤系統(tǒng)由跟蹤信息緩存單元、傳輸控制單元和PC端解析單元組成，如圖1所示。其中，跟蹤信息緩存單元負(fù)責(zé)對跟蹤信息的組裝和跟蹤緩存的管理，傳輸控制單元負(fù)責(zé)將跟蹤信息從跟蹤緩存搬移到PC端，PC端解析單元負(fù)責(zé)對跟蹤信息進(jìn)行解析。

　　跟蹤緩存管理機制是指如何管理該跟蹤緩存的讀寫權(quán)限，如何記錄讀寫索引的變化。在有跟蹤備份緩存的跟蹤方案中，跟蹤緩存管理機制還負(fù)責(zé)對備份緩存的管理。在跟蹤系統(tǒng)中，所有跟蹤信息在跟蹤點輸出時被封裝成為固定幀格式(消息頭+消息內(nèi)容)，寫入到跟蹤信息緩存單元中同一個長度為X字節(jié)的環(huán)形隊列。

　　由于Nucleus多任務(wù)操作系統(tǒng)下實時跟蹤系統(tǒng)中跟蹤源主要分為低級中斷、高級中斷/定時器和任務(wù)等，因此在對跟蹤源中的跟蹤點進(jìn)行跟蹤的過程中，不同優(yōu)先級的跟蹤點可能出現(xiàn)對全局跟蹤信息緩存的競爭。跟蹤沖突場景如圖2所示。跟蹤信息緩存單元中僅設(shè)置了一個寫指針訪問跟蹤信息緩存，保證了跟蹤信息的有序性，但不同優(yōu)先級跟蹤源進(jìn)行切換時會產(chǎn)生沖突，需要對寫指針現(xiàn)場進(jìn)行保護(hù)。

　　由于阻塞高優(yōu)先級任務(wù)會造成系統(tǒng)流程異常，在產(chǎn)生沖突時，為了保證跟蹤信息完整性，同時又不能阻塞高優(yōu)先級任務(wù)，只能丟棄高優(yōu)先級任務(wù)中的跟蹤請求。當(dāng)操作系統(tǒng)任務(wù)頻繁切換時，會出現(xiàn)較多跟蹤信息丟棄的現(xiàn)象。跟蹤信息丟棄現(xiàn)象的特征是跟蹤信息整條丟失、連續(xù)丟失(主動搶占任務(wù)中的所有跟蹤)，且跟蹤信息丟棄與跟蹤信息傳輸損耗無關(guān)。因此，跟蹤系統(tǒng)中的緩存機制有待優(yōu)化。

　　2 跟蹤優(yōu)化方案一

　　2.1 物理緩存管理機制

　　物理緩存管理機制采用含跟蹤頭、跟蹤信息內(nèi)容和跟蹤尾的跟蹤信息幀格式，在跟蹤源數(shù)據(jù)相互被打斷的過程中不考慮跟蹤信息的完整性，按照打斷的優(yōu)先級順序?qū)⒏櫺畔懭敫櫨彺?。跟蹤信息寫入場景如圖3所示。任務(wù)1跟蹤信息寫入跟蹤信息緩存過程中，被高級中斷/定時器打斷。高級中斷/定時器將其跟蹤信息頭寫入當(dāng)前寫指針處，直至整條跟蹤信息寫入完成。任務(wù)1獲得執(zhí)行權(quán)，其未寫完的跟蹤信息緊接著高級中斷/定時器跟蹤信息尾部寫入，直至整條跟蹤信息寫入完成。

　　2.2 傳輸控制機制

　　實時跟蹤系統(tǒng)通過串口進(jìn)行PC端和ARM子系統(tǒng)之間的通信，傳輸控制單元描述了PC端和ARM子系統(tǒng)之間的通信流程，它采用DMA總線控制器進(jìn)行跟蹤信息搬移。DMA是一種不經(jīng)過ARM處理器的CPU而直接從內(nèi)存中存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模式。在DMA模式下，CPU只需向DMA總線控制器下達(dá)指令，使其處理數(shù)據(jù)的傳送，接收數(shù)據(jù)傳送完畢的反饋信息，從而大大減輕了CPU資源占有率。傳輸控制單元采取DMA同步中斷發(fā)送跟蹤信息，每次以等長字節(jié)傳輸，將跟蹤信息搬移至串口發(fā)送寄存器中，再通過配置串口發(fā)送寄存器，將跟蹤信息發(fā)送至PC端解析顯示單元。

　　2.3 遞歸調(diào)用解析機制

　　根據(jù)圖4中的跟蹤緩存場景，為保證跟蹤信息的完整連續(xù)性，解析單元采用遞歸調(diào)用的方式解析當(dāng)前碼流。

　　首先在PC端跟蹤信息解析單元開辟一個環(huán)形隊列(即循環(huán)緩存)用于存放串口輸出的跟蹤信息，通過一個讀指針訪問該循環(huán)緩存并進(jìn)行遞歸調(diào)用解析。同時在PC端開辟一個大小為N×L的跟蹤緩存空間(即N個長度為L的連續(xù)緩存空間)用于存放解析出的完整跟蹤信息，每一塊長度為L的緩存存放一條完整的跟蹤信息。申請一個指針數(shù)組，用于保存每一個完整內(nèi)存的起始地址，即記錄N×L緩存中每次寫指針的變化情況。跟蹤信息遞歸解析函數(shù)流程如圖5所示。

　　最后將解析完成的跟蹤信息碼流轉(zhuǎn)換成為可見字符，在PC機上顯示輸出。

　　3 跟蹤優(yōu)化方案二

　　3.1 備份緩存管理機制

　　備份緩存管理機制采用含跟蹤頭和跟蹤信息的跟蹤信息幀格式，將跟蹤信息寫入一個大小為N的全局跟蹤信息緩存中。為避免在任務(wù)切換頻繁時當(dāng)前任務(wù)被高優(yōu)先級任務(wù)打斷造成數(shù)據(jù)丟失，申請一個嵌套深度為M的備份緩存來存放高優(yōu)先級任務(wù)跟蹤信息。其中，備份緩存區(qū)域每塊子緩存的長度均為m，設(shè)置跟蹤忙碌標(biāo)識位，初始值為0。跟蹤源通過調(diào)用跟蹤系統(tǒng)提供的跟蹤接口函數(shù)，將跟蹤忙碌標(biāo)識置1，并將當(dāng)前跟蹤源跟蹤信息填入全局跟蹤信息緩存。完成當(dāng)前跟蹤信息寫入操作后，將跟蹤忙碌標(biāo)識置0。若當(dāng)前跟蹤源在進(jìn)行寫入操作，即跟蹤忙碌標(biāo)識為1時，高優(yōu)先級任務(wù)調(diào)用跟蹤接口，則將高級任務(wù)的跟蹤信息寫入備份緩存中，當(dāng)前跟蹤源繼續(xù)進(jìn)行未完成的寫操作。每次寫完當(dāng)前跟蹤信息，檢查備份緩存中是否有數(shù)——若有，則將備份緩存中的跟蹤信息拷回至全局跟蹤信息緩存中(跟蹤緩存場景如圖6所示)，即在當(dāng)前任務(wù)跟蹤信息寫入跟蹤信息緩存時，若高級任務(wù)到來，則將高級任務(wù)跟蹤信息進(jìn)行封裝并寫入備份緩存。當(dāng)前跟蹤結(jié)束寫入操作輸出成功后，檢查備份緩存中是否存在跟蹤信息——若有，則將備份緩存中的跟蹤信息回拷至全局跟蹤信息緩存中，從而保證全局跟蹤信息緩存中跟蹤信息的連續(xù)性。

　　3.2 傳輸控制機制

　　同跟蹤優(yōu)化方案一中傳輸控制機制。

　　3.3 普通查詢解析機制

　　根據(jù)跟蹤緩存管理機制二，由于全局跟蹤信息緩存中跟蹤信息呈完整連續(xù)分布，解碼方式采用遍歷查詢方式。

　　首先，在PC端跟蹤信息接收單元開辟一個環(huán)形隊列(即解析前循環(huán)緩存)，用于存放從串口接收的跟蹤信息。

　　然后在PC端解析顯示單元開辟一個解析后循環(huán)緩存，用于存放解析后的完整跟蹤信息。使用讀指針遍歷解析前循環(huán)緩存，查詢到以跟蹤頭標(biāo)識X開頭的字符串，將其后的完整跟蹤信息寫入解析后循環(huán)緩存中，直至下一次遇到跟蹤頭標(biāo)識X，記錄解析前循環(huán)緩存讀索引并保存當(dāng)前解析后循環(huán)緩存寫索引。循環(huán)以上操作，將解析前循環(huán)緩存中的跟蹤信息依次解析，并放入解析后循環(huán)緩存中。

　　最后將解析后循環(huán)緩存中解析完成的完整跟蹤信息碼流轉(zhuǎn)換成為可見字符，在PC機上顯示輸出。

　　4 性能分析比較

　　4.1 跟蹤優(yōu)化方案一

　　將跟蹤信息按物理連續(xù)存儲方式存儲數(shù)據(jù)，即跟蹤源在單條跟蹤信息組裝過程中，通過全局寫指針控制跟蹤信息寫入。所有跟蹤點均跟蹤當(dāng)前優(yōu)先級秩序，對跟蹤信息緩存區(qū)進(jìn)行寫操作，保證僅有一個跟蹤信息緩存，且跟蹤源相互搶占時根據(jù)優(yōu)先級高低對跟蹤緩存進(jìn)行寫操作。該機制跟蹤緩存中的跟蹤信息呈現(xiàn)嵌套、打斷的不完整碼流。

　　跟蹤信息發(fā)送機制采取跟蹤接口函數(shù)中觸發(fā)傳輸裝置搬移數(shù)據(jù)。在傳輸控制單元，通過配置DMA總線，將全局跟蹤信息緩存中的跟蹤信息搬移至串口寄存器中。PC端接收裝置從串口寄存器中取出數(shù)據(jù)，放入PC端解析單元緩存空間，通過跟蹤信息遞歸解析機制，將不完整的跟蹤信息解析為完整連續(xù)的跟蹤信息。其中每個跟蹤信息緩存區(qū)尾部都設(shè)置一個保護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)，保護(hù)區(qū)長度為單條信息最大長度L。

　　該方案解決了跟蹤信息丟失問題，在PC端解析顯示單元對不連續(xù)碼流進(jìn)行解碼。由于該機制在嵌入式跟蹤緩存單元中采取物理連續(xù)存儲數(shù)據(jù)方式，降低了跟蹤軟件對ARM系統(tǒng)資源的消耗，保證了在高速運行情況下跟蹤系統(tǒng)對ARM處理器CPU的消耗盡可能低。從而避免在高速運行的系統(tǒng)中，由于跟蹤系統(tǒng)占用大量CPU導(dǎo)致系統(tǒng)運行速率低。該方案適用于對ARM子系統(tǒng)運行速率要求較高的終端系統(tǒng)。

　　4.2 跟蹤優(yōu)化方案二

　　在嵌入式跟蹤信息緩存單元申請一個全局跟蹤信息環(huán)緩存空間，同時申請一組備份緩存。寫指針沖突時，高級任務(wù)的跟蹤信息被寫入備份緩存中，當(dāng)前跟蹤源繼續(xù)將其跟蹤信息寫入全局跟蹤信息緩存。每次寫完當(dāng)前條跟蹤信息，檢查備份緩存中是否有數(shù)——若有，則將其拷回至全局緩存中。該機制根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級高低來管理寫指針，解決了寫指針沖突導(dǎo)致跟蹤信息不連續(xù)的問題。

　　在傳輸控制單元，通過配置DMA總線，設(shè)置發(fā)送目的地址及長度，將全局跟蹤信息緩存中的跟蹤信息搬移至串口寄存器中。PC端接收裝置從串口寄存器中取出數(shù)據(jù)，放入PC端解析顯示單元跟蹤信息緩存區(qū)域，通過跟蹤信息普通查詢解析機制，將以X開頭并以X結(jié)尾的完整跟蹤信息解析出來。其中每個跟蹤信息緩存區(qū)尾部都設(shè)置一個保護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)，保護(hù)區(qū)長度為單條信息最大長度L。

　　該方案通過備份緩存機制解決了數(shù)據(jù)丟失問題，保證了跟蹤信息輸出的連續(xù)性和完整性。但由于備份緩存向全局跟蹤緩存進(jìn)行跟蹤信息回拷過程，要大量占用ARM處理器CPU資源，導(dǎo)致該方案在對嵌入式系統(tǒng)運行速率要求高的環(huán)境中運行效率較低。

　　結(jié)語

　　針對現(xiàn)有的跟蹤軟件運行速率低、跟蹤信息亂序、丟失嚴(yán)重等情況，提出了兩種解決方案。一種是在ARM端采取物理連續(xù)存儲方式進(jìn)行編碼，在PC端通過遞歸調(diào)用算法對嵌套跟蹤信息進(jìn)行重新組裝，最后將解析后完整的碼流轉(zhuǎn)化為可見字符串輸出。此方案適用于對ARM子系統(tǒng)運行速率要求較高，且PC端可用資源充足的軟件跟蹤系統(tǒng)。另一種方案是在ARM端將高級任務(wù)跟蹤信息寫入備份緩存，再通過數(shù)據(jù)回拷方式將備份緩存中的跟蹤信息寫入全局跟蹤信息緩存區(qū)域。該方案在PC端解碼時只需查詢跟蹤頭標(biāo)識進(jìn)行解碼，并將解析后連續(xù)的碼流轉(zhuǎn)化為可見字符串輸出，適用于對嵌入式系統(tǒng)運行速率要求不高且PC端資源有限的軟件跟蹤系統(tǒng)。

　　以上兩種方案均能保證輸出跟蹤信息的連續(xù)完整性，解決了Nucleus實時操作系統(tǒng)下低優(yōu)先級任務(wù)會被高優(yōu)先級任務(wù)搶占，從而可能出現(xiàn)的跟蹤任務(wù)沖突而導(dǎo)致的跟蹤信息相互覆蓋、亂序等問題，為軟件開發(fā)人員分析定位問題提供了更可靠的嵌入式軟件實時跟蹤系統(tǒng)，提高了其分析解決問題的效率。