引言

嵌入式系統是當今計算機軟件領域的熱點，實時性是嵌入式系統的基本要求。隨著嵌入式技術的不斷發展，在嵌入式應用的不斷增長以及嵌入式系統復雜性不斷提高的情況下，調試階段在整個系統開發過程中所占的比重越來越大。調試環境和調試技術直接影響軟件開發的效率和質量，高效的調試系統可以大大減少嵌入式系統開發的時間，減輕系統開發工作量。

跟蹤調試系統主要有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時有很大的局限性，如通過斷點查詢完參數后系統無法再按照正常時序運行，以及無法檢測到系統順序化執行的變遷狀態。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平臺，運行于Nucleus實時操作系統上。Nucl eus實時操作系統為搶先式多任務操作系統，在程序執行過程中，低優先級任務會被高優先級任務搶占，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字節的環形隊列。

由于Nucleus多任務操作系統下實時跟蹤系統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。

由于阻塞高優先級任務會造成系統流程異常，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先級任務，只能丟棄高優先級任務中的跟蹤請求。當操作系統任務頻繁切換時，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，跟蹤系統中的緩存機制有待優化。

2 跟蹤優化方案一

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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。

2．2 傳輸控制機制

實時跟蹤系統通過串口進行PC端和ARM子系統之間的通信，傳輸控制單元描述了PC端和ARM子系統之間的通信流程，它采用DMA總線控制器進行跟蹤信息搬移。DMA是一種不經過ARM處理器的CPU而直接從內存中存取數據的數據交換模式。在DMA模式下，CPU只需向DMA總線控制器下達指令，使其處理數據的傳送，接收數據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同步中斷發送跟蹤信息，每次以等長字節傳輸，將跟蹤信息搬移至串口發送寄存器中，再通過配置串口發送寄存器，將跟蹤信息發送至PC端解析顯示單元。