嵌入式软件跟踪调试技术的研究与设计

摘要：针对在嵌入式实时操作系统环境下高低优先级任务切换过程引起的跟踪信息乱序和丢失问题，对跟踪信息嵌套缓存机制和解析机制进行了设计，提出了物理缓存管理机制与递归调用解析机制相结合、备份缓存管理机制与普通查询解析机制相结合的两种跟踪方案，解决了跟踪信息乱序和丢失问题，提高了跟踪系统的运行效率。
关键词：嵌入式实时操作系统；缓存管理；跟踪调试

引言
嵌入式系统是当今计算机软件领域的热点，实时性是嵌入式系统的基本要求。随着嵌入式技术的不断发展，在嵌入式应用的不断增长以及嵌入式系统复杂性不断提高的情况下，调试阶段在整个系统开发过程中所占的比重越来越大。调试环境和调试技术直接影响软件开发的效率和质量，高效的调试系统可以大大减少嵌入式系统开发的时间，减轻系统开发工作量。
跟踪调试系统主要有JTAG在线调试和运行时跟踪调试两种方式。JTAG在线调试在调试实时系统时有很大的局限性，如通过断点查询完参数后系统无法再按照正常时序运行，以及无法检测到系统顺序化执行的变迁状态。运行时跟踪调试采用软件插桩技术，通过在程序中嵌入跟踪点，开发人员可以在程序运行过程中通过跟踪点实时观察输出的信息，如各模块之间进行交互的信息以及程序运行的顺序等。
本项目设计的实时跟踪系统基于运行时跟踪调试手段，采用ARM11系列处理器作为硬件开发平台，运行于Nucleus实时操作系统上。Nucl eus实时操作系统为抢先式多任务操作系统，在程序执行过程中，低优先级任务会被高优先级任务抢占，可能出现跟踪任务冲突而导致跟踪信息相互覆盖、乱序等问题。特别是在跟踪信息量较大时，一旦超过传输峰值就会造成跟踪信息的丢失。该实时跟踪系统采用特殊缓存机制和解析机制，能够解决跟踪信息丢失的问题，实现跟踪信息的完整、有序传输。

1 原始跟踪方案
实时跟踪系统由跟踪信息缓存单元、传输控制单元和PC端解析单元组成，如图1所示。其中，跟踪信息缓存单元负责对跟踪信息的组装和跟踪缓存的管理，传输控制单元负责将跟踪信息从跟踪缓存搬移到PC端，PC端解析单元负责对跟踪信息进行解析。

跟踪缓存管理机制是指如何管理该跟踪缓存的读写权限，如何记录读写索引的变化。在有跟踪备份缓存的跟踪方案中，跟踪缓存管理机制还负责对备份缓存的管理。在跟踪系统中，所有跟踪信息在跟踪点输出时被封装成为固定帧格式(消息头+消息内容)，写入到跟踪信息缓存单元中同一个长度为X字节的环形队列。
由于Nucleus多任务操作系统下实时跟踪系统中跟踪源主要分为低级中断、高级中断／定时器和任务等，因此在对跟踪源中的跟踪点进行跟踪的过程中，不同优先级的跟踪点可能出现对全局跟踪信息缓存的竞争。跟踪冲突场景如图2所示。跟踪信息缓存单元中仅设置了一个写指针访问跟踪信息缓存，保证了跟踪信息的有序性，但不同优先级跟踪源进行切换时会产生冲突，需要对写指针现场进行保护。

由于阻塞高优先级任务会造成系统流程异常，在产生冲突时，为了保证跟踪信息完整性，同时又不能阻塞高优先级任务，只能丢弃高优先级任务中的跟踪请求。当操作系统任务频繁切换时，会出现较多跟踪信息丢弃的现象。跟踪信息丢弃现象的特征是跟踪信息整条丢失、连续丢失(主动抢占任务中的所有跟踪)，且跟踪信息丢弃与跟踪信息传输损耗无关。因此，跟踪系统中的缓存机制有待优化。

2 跟踪优化方案一
2．1 物理缓存管理机制
物理缓存管理机制采用含跟踪头、跟踪信息内容和跟踪尾的跟踪信息帧格式，在跟踪源数据相互被打断的过程中不考虑跟踪信息的完整性，按照打断的优先级顺序将跟踪信息写入跟踪缓存。跟踪信息写入场景如图3所示。任务1跟踪信息写入跟踪信息缓存过程中，被高级中断／定时器打断。高级中断／定时器将其跟踪信息头写入当前写指针处，直至整条跟踪信息写入完成。任务1获得执行权，其未写完的跟踪信息紧接着高级中断／定时器跟踪信息尾部写入，直至整条跟踪信息写入完成。

2．2 传输控制机制
实时跟踪系统通过串口进行PC端和ARM子系统之间的通信，传输控制单元描述了PC端和ARM子系统之间的通信流程，它采用DMA总线控制器进行跟踪信息搬移。DMA是一种不经过ARM处理器的CPU而直接从内存中存取数据的数据交换模式。在DMA模式下，CPU只需向DMA总线控制器下达指令，使其处理数据的传送，接收数据传送完毕的反馈信息，从而大大减轻了CPU资源占有率。传输控制单元采取DMA同步中断发送跟踪信息，每次以等长字节传输，将跟踪信息搬移至串口发送寄存器中，再通过配置串口发送寄存器，将跟踪信息发送至PC端解析显示单元。
2．3 递归调用解析机制
根据图4中的跟踪缓存场景，为保证跟踪信息的完整连续性，解析单元采用递归调用的方式解析当前码流。