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嵌入式软件跟踪信息嵌套缓存机制和解析机制设计方案
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2017-10-26
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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。
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。
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