哪些工具可以在使用RTOS時發(fā)現(xiàn)實時系統(tǒng)的bug？

越來越多的嵌入式系統(tǒng)依賴于實時操作系統(tǒng)(RTOS)的使用，以滿足實時需求，減少上市時間，簡化開發(fā)，增加代碼可移植性。盡管RTOS有許多好處，但它也有其缺點，如可能引入分配不當?shù)娜蝿?wù)優(yōu)先級、堆棧溢出、饑餓、死鎖、優(yōu)先級反轉(zhuǎn)等bug。

一些專門設(shè)計的工具，可以幫助基于RTOS的程序開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)一些難以發(fā)現(xiàn)的錯誤。

RTOS是什么？

實時操作系統(tǒng)(RTOS或?qū)崟r內(nèi)核)是有效地管理CPU時間的軟件。大多數(shù)內(nèi)核使用C編寫，僅需匯編語言編寫小部分代碼，使內(nèi)核適配不同的CPU體系結(jié)構(gòu)。在使用RTOS內(nèi)核設(shè)計應(yīng)用程序時，只需將工作分成任務(wù)，每個任務(wù)負責工作的一部分。任務(wù)（也稱為線程）是一個簡單的程序，認為自己完全擁有CPU。在單核CPU上，在任何給定時間內(nèi)只能執(zhí)行一個任務(wù)。應(yīng)用代碼還需要根據(jù)任務(wù)重要性為每個任務(wù)分配優(yōu)先級以及任務(wù)堆棧(RAM)。一般來說，增加低優(yōu)先級任務(wù)不會影響系統(tǒng)對高優(yōu)先級任務(wù)的響應(yīng)。任務(wù)實現(xiàn)通常是一個無限循環(huán)，內(nèi)核負責任務(wù)的管理，稱為多任務(wù)處理。多任務(wù)處理是在幾個順序任務(wù)之間調(diào)度和切換CPU的過程。多任務(wù)處理提供了具有多個CPU的錯覺，最大化地使用CPU，如圖1所示。多任務(wù)處理還有助于創(chuàng)建模塊化的應(yīng)用程序。使用實時內(nèi)核后，應(yīng)用程序更容易設(shè)計和維護。

大多數(shù)商業(yè)RTOS都是搶占式調(diào)度方式，內(nèi)核總是運行就緒的最重要的任務(wù)。搶占式內(nèi)核也是事件驅(qū)動的，任務(wù)被設(shè)計為等待事件發(fā)生后才能執(zhí)行。如果任務(wù)等待的事件沒有發(fā)生，內(nèi)核將運行其它任務(wù)。等待狀態(tài)的任務(wù)不消耗CPU時間。通過內(nèi)核API調(diào)用來完成事件的發(fā)生和等待操作，避免輪詢操作，提高CPU時間的利用率。典型的任務(wù)實現(xiàn)示例，如下所示：

實時內(nèi)核提供了許多服務(wù)，如多任務(wù)處理、中斷管理、任務(wù)間通信與同步、資源管理、時間管理、內(nèi)存分區(qū)管理等。RTOS可以用于少量任務(wù)的簡單應(yīng)用，在需要復雜和耗時的通信的應(yīng)用中，如TCP/IP、USB（主機和/或設(shè)備）、CAN、藍牙、Zigbee應(yīng)用等，RTOS是一個必備工具。當應(yīng)用程序需要文件系統(tǒng)來存儲和檢索數(shù)據(jù)，以及當產(chǎn)品配備了圖形顯示（黑白、灰度或彩色）時，也強烈推薦使用RTOS。

硬件調(diào)試端口

ARM Cortex-M內(nèi)核配備了強大的調(diào)試硬件。CoreSight提供了非侵入性的功能，允許工具在不停止CPU的情況下監(jiān)視和控制實時系統(tǒng)，例如：

? 動態(tài)內(nèi)存/外設(shè)訪問（讀寫）

? 指令跟蹤(芯片需包括一個執(zhí)行跟蹤宏單元，ETM)

? 數(shù)據(jù)跟蹤

下圖顯示了Core Sight調(diào)試端口、CPU和內(nèi)存外設(shè)之間的關(guān)系簡化框圖。

系統(tǒng)測試/調(diào)試工具

下圖顯示了CoreSight如何連接到開發(fā)環(huán)境：

1、嵌入式開發(fā)通常使用集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，IDE中通常包含代碼編輯器、編譯器、匯編器、鏈接器、調(diào)試器等工具。

IDE內(nèi)置的調(diào)試器只提供了最基本的功能：下載代碼、啟動/停止應(yīng)用、設(shè)置斷點等功能。一些調(diào)試器允許在目標運行時顯示和更改變量(如Live Watch)，但這些功能僅限于數(shù)值。許多調(diào)試器內(nèi)置RTOS插件，但通常需要停止應(yīng)用程序才能檢查RTOS的狀態(tài)（對于調(diào)試實時系統(tǒng)不太實用）。

2、通過調(diào)試器，例如Segger J-Link，將代碼下載到目標系統(tǒng)。

3、J-Link連接到CoreSight調(diào)試端口，啟動/停止CPU，下載代碼，編程板載Flash等。即使目標系統(tǒng)正在執(zhí)行代碼，J-Link也可以讀寫內(nèi)存。

4、Micrium的μC/Probe是一個獨立的、與CPU無關(guān)的Windows應(yīng)用程序，它讀取工具鏈生成的ELF文件。ELF文件包含下載到目標系統(tǒng)的代碼以及所有全局變量的名稱、數(shù)據(jù)類型和內(nèi)存位置。

5、μC/Probe允許用戶在運行時顯示或更改連接的嵌入式目標上的變量或內(nèi)存位置(包括I/O端口)的值。用戶只需在μC/Probe圖形環(huán)境填充量規(guī)、數(shù)字指示器、表格、圖表、虛擬LED、條形圖、滑塊、開關(guān)、按鈕等控件，并將控件與嵌入設(shè)備中的變量或內(nèi)存位置相關(guān)聯(lián)，即可在運行時顯示或更改變量。通過μC/Probe圖形界面中添加的虛擬滑塊或開關(guān)，你可以輕松地更改運行系統(tǒng)的參數(shù)（如過濾系數(shù)和PID回路增益）或啟動設(shè)備并測試I/O端口。

6、μC/Probe向J-Link發(fā)送讀取或?qū)懭雰?nèi)存的請求。

7、J-Link請求將轉(zhuǎn)換為CoreSight命令，獲取變量值并顯示到μC/Probe圖形界面。

8、測試/調(diào)試實時嵌入式系統(tǒng)的另一個非常有用的工具是SEGGER的SystemView。此工具通常與RTOS一起工作，按時間順序顯示任務(wù)和ISR的執(zhí)行，可以查看每個任務(wù)需要執(zhí)行的時間（最小/平均/最大），任務(wù)何時就緒，每個任務(wù)實際開始執(zhí)行時間，ISR何時執(zhí)行等。SystemView可以幫助你發(fā)現(xiàn)不易發(fā)現(xiàn)的錯誤。但SystemView需要向目標系統(tǒng)添加記錄RTOS事件和ISR的駐留代碼(由SEGGER免費提供)，SystemView還會消耗少量的RAM來緩存這些事件。

9、J-Link允許多個進程同時訪問CoreSight，因此你可以同時使用這三個工具。

基于RTOS應(yīng)用中的問題

堆棧溢出

在基于實時內(nèi)核的應(yīng)用中，每個任務(wù)都需要自己的堆棧。任務(wù)所需堆棧的大小取決于應(yīng)用程序。如果堆棧大于任務(wù)要求，則會浪費內(nèi)存。如果堆棧太小，堆?？赡芤绯?。我們可以通過分配更多內(nèi)存來減少堆棧溢出的機會，通常需要25-50%的額外堆?？臻g。一些CPU，比如基于ARMv8M架構(gòu)的CPU，內(nèi)置了堆棧溢出檢測機制。然而，該特性并不能幫助確定合適的堆棧大小，它只是防止堆棧溢出的負面后果。

堆棧分配時，首先為任務(wù)堆棧分配更多空間，然后在已知最壞情況下運行應(yīng)用程序，監(jiān)視實際堆棧使用情況。

下圖顯示了μC/Probe對測試應(yīng)用程序的μ/OS-III內(nèi)核感知的截圖。Stack Usage列顯示每個任務(wù)在給定時間的最大堆棧使用情況。μC/Probe將更新并實時顯示堆棧使用信息，無需停止目標應(yīng)用。綠色表示最大堆棧使用量一直保持在70%。黃色表示堆棧使用量在70%到90%之間。紅色表示堆棧使用量已超過90%。顯然，使用92%堆棧的任務(wù)應(yīng)該增大堆棧，使其回到70%以下。

中斷響應(yīng)

在臨界代碼處理時，RTOS和應(yīng)用程序代碼通常必須禁用中斷。關(guān)中斷會影響系統(tǒng)對事件的響應(yīng)，RTOS應(yīng)用中盡量減少中斷禁用時間。

μC/OS-III會監(jiān)測每個任務(wù)最壞情況下的中斷禁用時間，下圖所示。如果應(yīng)用需要滿足實時截止時間，這些信息非常有用。

中斷被禁用的時間很大程度上取決于CPU、其時鐘速率、應(yīng)用程序和調(diào)用的RTOS服務(wù)。禁用中斷最長的任務(wù)用紅色高亮顯示，幫助用戶快速識別潛在的異常值。

如果最大中斷禁用時間是由RTOS引起的，可以：

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