硬件輔助軟件分析

得益于功能越來越強(qiáng)大的μP，嵌入式系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，嵌入式軟件程序變得越來越大，程序越大，更難以調(diào)試。更重要的是，在大型嵌入式程序中捕獲錯(cuò)誤可能會(huì)對公司的工程資源造成負(fù)擔(dān)。由于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序很大，程序員缺乏對代碼中各種可執(zhí)行模塊的深入了解。此區(qū)域是軟件分析的用武之地。該術(shù)語指的是可以收集有關(guān)程序中函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間，頻率和調(diào)用模式的數(shù)據(jù)的軟件。這種分析可能是優(yōu)化代碼的第一步。通過讓您知道哪些功能非常耗時(shí)，它可以讓您加快這些代碼區(qū)域的速度。此外，它還可以讓您知道執(zhí)行程序是否在應(yīng)用程序期間至少調(diào)用您編寫的所有代碼。

分析工具通常通過將額外的軟件嵌入應(yīng)用程序源代碼的關(guān)鍵點(diǎn)來收集信息。或者，您也可以使用外部電路從系統(tǒng)總線捕獲分析信息。您可以使用無輔助軟件分析或外部硬件輔助軟件分析。

C編譯器通常為您提供分析開關(guān)(-p)，對編譯的代碼起作用以生成分析信息。例如，自由軟件基金會(huì)(www.gnu.org/fsf/fsf.html)Gnu C編譯器為您提供了“-p”編譯器開關(guān)，您可以使用它來準(zhǔn)備目標(biāo)代碼以使用“gprof”收集分析數(shù)據(jù)“ 效用。當(dāng)您調(diào)用-p開關(guān)時(shí)，編譯器會(huì)在每個(gè)編譯過程的開頭添加額外的代碼(清單1)。這個(gè)額外的“檢測代碼”可以調(diào)用運(yùn)行時(shí)記錄實(shí)用程序。該列表顯示了典型過程的初始x86代碼序列(在此示例中為lapinit())。該代碼使用自由軟件基金會(huì)的Gnu匯編語法，該語法具有操作代碼，源和目標(biāo)的一般指令格式。

當(dāng)您輸入每個(gè)過程時(shí)，檢測代碼會(huì)調(diào)用mcount()支持例程。然后，檢測代碼傳遞mcount()變量的地址，以支持記錄執(zhí)行程序的調(diào)用歷史記錄的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在程序執(zhí)行結(jié)束時(shí)，檢測代碼調(diào)用(exit()并自動(dòng)生成mon.out配置文件.mon.out文件包含呼叫發(fā)生信息和統(tǒng)計(jì)采樣信息。操作系統(tǒng)收集統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。通過檢查應(yīng)用程序的程序計(jì)數(shù)器，計(jì)時(shí)器滴答(例如每10到20毫秒)。

操作系統(tǒng)的prof實(shí)用程序使用mon.out文件中的配置文件數(shù)據(jù)生成應(yīng)用程序的執(zhí)行配置文件。應(yīng)用程序可執(zhí)行文件的圖像中的符號信息。對于圖像文件中的每個(gè)過程符號，操作系統(tǒng)確定該符號與下一個(gè)符號之間的執(zhí)行時(shí)間百分比。

分析信息很有用，因?yàn)樗鼓軌蜃R別在程序中執(zhí)行時(shí)間過長的過程。這些過程非常適合進(jìn)一步優(yōu)化。使用這種“源代碼檢測”，mcount()需要 很長時(shí)間。此外，此技術(shù)要求您重新編譯應(yīng)用程序軟件以插入檢測代碼。

分析工具具有不同程度的復(fù)雜性 - 從命令行分析工具到基于圖形用戶界面的工具。例如，Cygnus的$ 2000/座(嵌入式)GNU-Pro C編譯器和$ 299(用于Linux)CodeFusion IDE附帶gprof和gcov命令行分析工具。

一些分析工具，例如Applied Microsystem Corp(AMC)的CodeTEST-Hardware-In-Ckt，提供了一個(gè)由硬件探測輔助的嵌入式測試平臺(圖1)。該工具使您可以在軟件開發(fā)的最后階段專注于嵌入式軟件測試和分析。 CodeTEST-Hardware-In-Ckt比其他分析工具需要更少侵入性的儀器。此外，該工具進(jìn)行非抽樣測量。

您必須“檢測”應(yīng)用程序，并且此檢測非常類似于prof實(shí)用程序所需的檢測。但是，在這種情況下，檢測是“輕量級的”(清單2)。這種方法不需要昂貴的調(diào)用mcount() - 類似的過程。相反，它只需要將識別值寫入內(nèi)存位置;該標(biāo)識值出現(xiàn)在處理器的內(nèi)存總線上。外部捕獲硬件響應(yīng)將數(shù)據(jù)放入示例__TAG_PORT地址的寫入。當(dāng)發(fā)生這些寫入時(shí)，捕獲硬件會(huì)將寫入的標(biāo)識值和時(shí)間戳記錄到記錄緩沖區(qū)中。

您還必須以與過程條目類似的方式檢測過程的退出代碼即結(jié)尾。唯一標(biāo)識值“標(biāo)簽”與代碼中的每個(gè)檢測點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。寫入的地址值(稱為標(biāo)記端口)解決了您選擇此問題的方式。根據(jù)目標(biāo)μP探頭，只要目標(biāo)系統(tǒng)或CPU終止總線周期，您就可以在目標(biāo)存儲器映射中的任何位置找到標(biāo)簽端口。您通?？梢詫?biāo)記端口放在目標(biāo)RAM中，RAM設(shè)備本身會(huì)同步終止所有寫周期，包括標(biāo)記寫入。

AMC規(guī)定您必須確保任何處理器的片上數(shù)據(jù)存儲器不會(huì)將寫入緩存到tagport或捕獲地址。如果內(nèi)存確實(shí)緩存了這些寫入，那么直寫而不是回寫必須處理寫入。此技術(shù)可確保在執(zhí)行寫入指令后，標(biāo)簽值很快出現(xiàn)在處理器總線上。不幸的是，寫緩沖技術(shù)仍然會(huì)延遲標(biāo)簽信息的出現(xiàn)。

出于這個(gè)原因，硬件輔助分析比具有時(shí)間關(guān)鍵實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的純軟件方法更受歡迎。您通常通過在編譯之前處理源代碼來插入檢測?；蛘?，工具提供程序不是使用編譯器來檢測代碼，而是提供后處理工具，它可以檢測已編譯的模塊。 AMC的LiveCODE工具是可執(zhí)行代碼檢測的一個(gè)示例，它允許您在應(yīng)用程序在目標(biāo)系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)執(zhí)行交互式跟蹤(圖2)。 LiveCODE通過將特定于處理器的本機(jī)分支指令發(fā)送到內(nèi)存中要在目標(biāo)中進(jìn)行所需檢測的點(diǎn)來自動(dòng)檢測可執(zhí)行文件。然后程序分支到內(nèi)存中的另一個(gè)位置，該位置工具執(zhí)行用戶插入的語句。然后，LiveCODE將控制返回到分支點(diǎn)，并且編譯的應(yīng)用程序繼續(xù)執(zhí)行。

LiveCODE自動(dòng)準(zhǔn)備圖像，以便程序?qū)⑦@些段的執(zhí)行歷史顯示為已編譯的子系統(tǒng)，模塊和函數(shù)樹視圖格式的應(yīng)用程序。交互式序列圖顯示了執(zhí)行期間函數(shù)入口和出口的圖形表示(圖2)。您可以在執(zhí)行跟蹤中前進(jìn)和后退。 LiveCODE可以節(jié)省寶貴的開發(fā)時(shí)間，因?yàn)槟梢栽诔绦驁?zhí)行時(shí)與程序進(jìn)行交互，選擇要跟蹤的代碼部分，插入調(diào)試代碼語句，或者在不停止執(zhí)行或不必重新編譯應(yīng)用程序的情況下修改變量。 LiveCODE支持PowerPC處理器體系結(jié)構(gòu)，可用于Windows和Solaris主機(jī)系統(tǒng)。價(jià)格從4000美元起。 AMC計(jì)劃在下一季度升級LiveCODE以處理其他處理器架構(gòu)。

CodeTEST提供源代碼執(zhí)行的高級和實(shí)時(shí)可見性。例如，在跟蹤執(zhí)行功能期間，該工具會(huì)對嵌入式軟件執(zhí)行跟蹤，而不是硬件。軟件“instrumenter”實(shí)用程序準(zhǔn)備用戶的程序以進(jìn)行在線驗(yàn)證。該實(shí)用程序讀取程序源文件并將測試點(diǎn)指令插入代碼中。指導(dǎo)者處理C和C ++源代碼程序。

CodeTEST系列包括CodeTEST-Performance，可同時(shí)測量多達(dá)32,000個(gè)函數(shù)，從而監(jiān)控大多數(shù)程序中每個(gè)例程的每次執(zhí)行。因?yàn)樗M(jìn)行非抽樣測量，所以該工具顯示真實(shí)的最差和最佳情況時(shí)間，在任務(wù)，功能或分支級別顯示結(jié)果。使用該工具的性能特征列表，您可以優(yōu)化代碼的選擇部分。

CodeTEST還包括CodeTEST-Memory，它跟蹤嵌入式程序中的動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配。由于該工具為跟蹤的每一行添加了時(shí)間戳，因此您可以確定函數(shù)中的循環(huán)執(zhí)行所需的時(shí)間。使用CodeTEST/Statement Coverage工具，您可以識別在給定測試場景中將執(zhí)行的代碼部分。交互式XY圖顯示了工具在測試時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)的覆蓋范圍。

CodeTEST組的另一個(gè)元素包括CodeTEST-Decision Coverage工具，該工具顯示指示執(zhí)行期間執(zhí)行的真/假狀態(tài)的數(shù)據(jù)。程序流程。 CodeTEST-MCDC工具(修改后的條件決策覆蓋范圍)提供了對程序代碼中每個(gè)決策點(diǎn)的每個(gè)條件的詳細(xì)分析，以及強(qiáng)制更改代碼以研究其行為的過程。此功能可幫助您生成滿足美國聯(lián)邦航空管理局規(guī)定的代碼。

CodeTEST可在CodeTEST-HW-Ckt，CodeTEST-Software-In-Ckt和CodeTEST-Native版本中使用。當(dāng)嵌入式硬件不可用時(shí)，CodeTEST-Native為桌面環(huán)境提供純軟件方法。硬件準(zhǔn)備就緒后，CodeTEST-Software-In-Ckt工具使用本機(jī)階段的工具，并將運(yùn)行時(shí)精度引入嵌入式軟件測試。最后，硬件輔助的CodeTEST-Hardware-In-Ckt工具提供了一個(gè)目標(biāo)探測器，用于系統(tǒng)操作的真實(shí)實(shí)時(shí)目標(biāo)測試。

CodeTEST-Software-In-Ckt和CodeTEST-Native都與設(shè)備無關(guān)。 CodeTEST-Software-In-Ckt的價(jià)格從跟蹤，內(nèi)存或報(bào)表覆蓋模塊的4000美元開始;決策覆蓋模塊7000美元;和MCDC模塊的20,000美元。對于Trace，Memory或Statement Coverage模塊，CodeTEST-Native的起價(jià)為2500美元。 CodeTEST在Windows和Unix工作站下運(yùn)行。 CodeTEST支持英特爾(www.intel.com)8096CX，JX和HX; IBM(www.ibm.com)和摩托羅拉(www.motorola.com)PowerPC 603,740,750,823,821和850μs; MIPS(www.mips.com)4600,4700,4650,4300和3000μPs;英特爾/AMD的386和486;和競爭對手的68020,30,40,60,68332和68302。

競爭產(chǎn)品，Diab Data的純軟件RTA套件，結(jié)合了圖形運(yùn)行時(shí)分析工具，提供關(guān)鍵洞察力，最大限度地提高計(jì)劃性能，提高嵌入式應(yīng)用的可靠性和內(nèi)存使用率。該工具套件依賴于Diab Data的D-CC和D-C ++編譯器套件生成的信息，包括Visual Interactive Profiler(VIP)，運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤檢查器和Visual Link Map Analyzer工具(圖3)。

VIP測量并分析程序的運(yùn)行時(shí)行為。它首先在編譯時(shí)檢測程序。當(dāng)檢測程序執(zhí)行時(shí)，它在目標(biāo)上構(gòu)建一個(gè)配置文件數(shù)據(jù)庫，并從用戶設(shè)置的中斷標(biāo)記中獲得定時(shí)信息。測試完成后，它會(huì)將配置文件數(shù)據(jù)上傳到主機(jī)，供VIP分析和顯示。

雖然平面分析技術(shù)(如mcount()實(shí)用程序)只顯示程序花費(fèi)的執(zhí)行時(shí)間。一個(gè)函數(shù)，分層分析還可以進(jìn)一步顯示程序在每個(gè)子進(jìn)程中花費(fèi)多少時(shí)間在一個(gè)函數(shù)上。因此，層次分析揭示了平面分析技術(shù)會(huì)遺漏的熱點(diǎn)。 VIP在交互式圖形顯示中顯示配置文件數(shù)據(jù)，使您能夠快速發(fā)現(xiàn)嵌套的時(shí)序信息，以便集中有效的優(yōu)化工作。

RTA Suite的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤檢查工具檢測到很難識別的軟件錯(cuò)誤，因?yàn)樗鼈冊诔绦驁?zhí)行之前不會(huì)顯示出來。使用運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤檢查程序，您可以快速可靠地查找錯(cuò)誤。這些錯(cuò)誤包括內(nèi)存泄漏，數(shù)組訪問和邊界外的其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，訪問空閑或無效內(nèi)存，多次釋放內(nèi)存，通過空指針訪問以及堆棧溢出。

RTA Suite的Visual Link Map Analyzer允許您以交互方式輕松創(chuàng)建，可視化，編輯和優(yōu)化內(nèi)存映射設(shè)置。它還在高端μP中提供多種尋址技術(shù)。根據(jù)Integrated Systems Inc的pSOSystem產(chǎn)品軟件開發(fā)總監(jiān)N Rajan的說法，您不需要使用三條指令來訪問數(shù)據(jù)區(qū)中的變量(x)：

LoadHX，R3;加載高16位的地址;

LoadLX，Rs;加載低16位的地址;和

加載0(R3)，R4;現(xiàn)在加載X的值為“0”偏移。

相反，您可以通過一條指令訪問變量：

加載X(R3)，R4，

其中偏移值可以是±32。

通過這種方式，RTA Suite允許您在鏈接模塊時(shí)定義一個(gè)小數(shù)據(jù)區(qū)域，并在此部分中放置用戶變量或數(shù)據(jù)。唯一的限制是數(shù)據(jù)區(qū)不能大于64千字節(jié)。此限制適合大多數(shù)應(yīng)用。通過將R3寄存器指向此小數(shù)據(jù)區(qū)域部分的中間，您可以使用一條指令訪問此部分中的任何變量，從而生成緊湊的代碼，從而加快執(zhí)行速度。

RTA Suite支持PowerPC，68K/CPU32，ColdFire和MCORE系列。 RTA Suite適用于D-CC和D-C ++編譯器支持并適用于所有主要Windows和Unix主機(jī)的所有目標(biāo)。

在選擇軟件分析產(chǎn)品時(shí)，請記住，盡管硬件測試工具，例如作為邏輯分析儀和在線仿真器(ICE)，它們很適合調(diào)試硬件問題，它們無法深入了解軟件代碼的執(zhí)行情況。

“使用傳統(tǒng)的ICE是不可能的，因?yàn)樘幚砥髡诔蔀锳MD的工程師David Mann表示，太快，采用復(fù)雜的封裝技術(shù)，并且調(diào)試時(shí)系統(tǒng)總線活動(dòng)較少。因此，他說，“微處理器供應(yīng)商正朝著JTAG類型的控制方向發(fā)展，理想情況下，這種控制方式可以產(chǎn)生程序跟蹤?！睂?，軟件配置將獲得更強(qiáng)大的硬件輔助功能。 AMC經(jīng)理Jay Gould表示，您可能會(huì)看到更多特定于處理器的分析工具。

片上硬件輔助軟件分析

在線仿真器(ICE)廣泛用于嵌入式軟件開發(fā)。雖然ICE是低端到中端CPU的有效工具，但是模擬32位設(shè)備是令人生畏的。由于處理器的復(fù)雜架構(gòu)，高時(shí)鐘速度，片上高速緩存和封裝，觀察處理器總線很困難。這種情況促使處理器廠商加入片上調(diào)試電路，以簡化ICE構(gòu)建并推廣替代硬件輔助軟件開發(fā)方法。

兩種這樣的方法，摩托羅拉(www.motorola。 com)背景調(diào)試模式(BDM)和AMD的AMDebug端口值得注意。 BDM的在線仿真通過串行鏈路上的專用調(diào)試命令使處理器保持在后臺模式。例如，摩托羅拉的ColdFire系列μP(MCF5202/3/4/6)支持JTAG IEEE 1149.1，并提供一組功能強(qiáng)大的調(diào)試工具。對于實(shí)時(shí)跟蹤，ColdFire提供了一個(gè)并行輸出端口，該端口分區(qū)為4位處理器狀態(tài)[PST]和調(diào)試數(shù)據(jù)[DDATA]總線。 PST [3：0]允許μP發(fā)送處理器執(zhí)行狀態(tài)，DDATA [3：0]顯示操作數(shù)數(shù)據(jù)。結(jié)合PST和DDATA可幫助您跟蹤μP的動(dòng)態(tài)路徑執(zhí)行情況，以實(shí)時(shí)調(diào)試硬件。

然而，BDM無助于軟件分析程序執(zhí)行，因?yàn)樗竽Ｖ笴PU和使用特殊調(diào)試寄存器負(fù)責(zé)程序控制。這些寄存器允許您設(shè)置程序計(jì)數(shù)器斷點(diǎn)，地址斷點(diǎn)，配置存儲器和寄存器，然后使用Go命令重新啟動(dòng)CPU。因此，如果沒有專門的硬件，就無法使用BDM來分析基于RTOS的應(yīng)用程序。

“使用配備片上跟蹤功能的處理器可滿足許多嵌入式項(xiàng)目的主要工具要求，” David Mann，AMD工程師。 “鑒于跟蹤數(shù)據(jù)可以由目標(biāo)處理器本身訪問或提供給控制目標(biāo)的遠(yuǎn)程主機(jī)，因此可以很靈活地使用數(shù)據(jù)。”

AMDebug端口基于增強(qiáng)的JTAG接口，可在AMD的x86處理器上使用，并集成了片上跟蹤緩存，您可以主要用于跟蹤程序的指令流。但是，您也可以使用跟蹤緩存來收集性能分析信息。跟蹤緩存存儲20位跟蹤條目，包括4位跟蹤代碼和16位跟蹤值。跟蹤程序的執(zhí)行時(shí)，壓縮的跟蹤條目會(huì)在執(zhí)行過程中自動(dòng)進(jìn)入跟蹤緩存。收集配置文件數(shù)據(jù)時(shí)，跟蹤控制寄存器(很像斷點(diǎn)控制寄存器)會(huì)啟動(dòng)新的跟蹤條目的生成。

片上斷點(diǎn)控制寄存器在程序停止程序執(zhí)行時(shí)到達(dá)程序地址。跟蹤控制寄存器選擇執(zhí)行跟蹤應(yīng)該開始和停止的程序地址。為了啟用性能分析，這些跟蹤控制寄存器還可以啟動(dòng)和停止計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器測量已執(zhí)行的執(zhí)行時(shí)間。但是，要分析配置文件數(shù)據(jù)，您需要后處理軟件工具。通過這種方式，AMDebug提供基本的性能分析。