嵌入式軟件跟蹤信息嵌套緩存機制和解析機制設計方案

引言
　　嵌入式系統(tǒng)是當今計算機軟件領域的熱點，實時性是嵌入式系統(tǒng)的基本要求。隨著嵌入式技術的不斷發(fā)展，在嵌入式應用的不斷增長以及嵌入式系統(tǒng)復雜性不斷提高的情況下，調試階段在整個系統(tǒng)開發(fā)過程中所占的比重越來越大。調試環(huán)境和調試技術直接影響軟件開發(fā)的效率和質量，高效的調試系統(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。
　　跟蹤調試系統(tǒng)主要有JTAG在線調試和運行時跟蹤調試兩種方式。JTAG在線調試在調試實時系統(tǒng)時有很大的局限性，如通過斷點查詢完參數后系統(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)。運行時跟蹤調試采用軟件插樁技術，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。
　　本項目設計的實時跟蹤系統(tǒng)基于運行時跟蹤調試手段，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)為搶先式多任務操作系統(tǒng)，在程序執(zhí)行過程中，低優(yōu)先級任務會被高優(yōu)先級任務搶占，可能出現跟蹤任務沖突而導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對跟蹤信息的組裝和跟蹤緩存的管理，傳輸控制單元負責將跟蹤信息從跟蹤緩存搬移到PC端，PC端解析單元負責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生沖突，需要對寫指針現場進行保護。
　　
　　由于阻塞高優(yōu)先級任務會造成系統(tǒng)流程異常，在產生沖突時，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，只能丟棄高優(yōu)先級任務中的跟蹤請求。當操作系統(tǒng)任務頻繁切換時，會出現較多跟蹤信息丟棄的現象。跟蹤信息丟棄現象的特征是跟蹤信息整條丟失、連續(xù)丟失（主動搶占任務中的所有跟蹤），且跟蹤信息丟棄與跟蹤信息傳輸損耗無關。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
　　2．1 物理緩存管理機制
　　物理緩存管理機制采用含跟蹤頭、跟蹤信息內容和跟蹤尾的跟蹤信息幀格式，在跟蹤源數據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)先級順序將跟蹤信息寫入跟蹤緩存。跟蹤信息寫入場景如圖3所示。任務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前寫指針處，直至整條跟蹤信息寫入完成。任務1獲得執(zhí)行權，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。