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，傳輸控制單元負責(zé)將跟蹤信息從跟蹤緩存搬移到PC端，PC端解析單元負責(zé)對跟蹤信息進行解析。

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)先級跟蹤源進行切換時會產(chǎn)生沖突，需要對寫指針現(xiàn)場進行保護。

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

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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。