越來(lái)越多的嵌入式系統(tǒng)依賴使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) （RTOS） 來(lái)：滿足實(shí)時(shí)要求、縮短上市時(shí)間、簡(jiǎn)化開發(fā)、增加代碼可移植性和簡(jiǎn)化開發(fā)。盡管有很多好處，但 RTOS 也有其缺點(diǎn)，其中之一是可能引入不正確分配的任務(wù)優(yōu)先級(jí)、堆棧溢出、饑餓、死鎖、優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)和其他難以發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤。

在本文中，我們將研究專門設(shè)計(jì)用于幫助基于 RTOS 的應(yīng)用程序開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)其中一些難以捉摸的錯(cuò)誤、識(shí)別問題并提供糾正措施的工具。這些工具很容易獲得，但嵌入式開發(fā)人員通常不知道。

什么是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)？

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（也稱為 RTOS 或?qū)崟r(shí)內(nèi)核）是盡可能高效地管理 CPU（中央處理單元）時(shí)間的軟件。大多數(shù)內(nèi)核都是用 C 語(yǔ)言編寫的，并且需要一小部分用匯編語(yǔ)言編寫的代碼才能使內(nèi)核適應(yīng)不同的 CPU 架構(gòu)。當(dāng)您使用 RTOS 內(nèi)核設(shè)計(jì)應(yīng)用程序（您的代碼）時(shí)，您只需將工作拆分為任務(wù)，每個(gè)任務(wù)負(fù)責(zé)一部分工作。任務(wù)（也稱為線程）是一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，它認(rèn)為自己完全擁有 CPU。在單個(gè) CPU 上，在任何給定時(shí)間只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)。您的應(yīng)用程序代碼還需要根據(jù)任務(wù)重要性以及每個(gè)任務(wù)的堆棧 （RAM） 為每個(gè)任務(wù)分配優(yōu)先級(jí)。一般來(lái)說(shuō)，添加低優(yōu)先級(jí)任務(wù)不會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的響應(yīng)。任務(wù)通常也實(shí)現(xiàn)為無(wú)限循環(huán)。內(nèi)核負(fù)責(zé)任務(wù)的管理。這稱為多任務(wù)處理。多任務(wù)處理是在多個(gè)順序任務(wù)之間調(diào)度和切換 CPU 的過(guò)程。多任務(wù)處理提供了擁有多個(gè) CPU 的錯(cuò)覺，并最大限度地利用了 CPU，如下所示。多任務(wù)處理還有助于創(chuàng)建模塊化應(yīng)用程序。使用實(shí)時(shí)內(nèi)核，應(yīng)用程序更易于設(shè)計(jì)和維護(hù)。多任務(wù)處理提供了擁有多個(gè) CPU 的錯(cuò)覺，并最大限度地利用了 CPU，如下所示。多任務(wù)處理還有助于創(chuàng)建模塊化應(yīng)用程序。使用實(shí)時(shí)內(nèi)核，應(yīng)用程序更易于設(shè)計(jì)和維護(hù)。多任務(wù)處理提供了擁有多個(gè) CPU 的錯(cuò)覺，并最大限度地利用了 CPU，如下所示。多任務(wù)處理還有助于創(chuàng)建模塊化應(yīng)用程序。使用實(shí)時(shí)內(nèi)核，應(yīng)用程序更易于設(shè)計(jì)和維護(hù)。

大多數(shù)商業(yè) RTOS 都是搶占式的，這意味著內(nèi)核始終運(yùn)行最重要的可立即運(yùn)行的任務(wù)。搶占式內(nèi)核也是事件驅(qū)動(dòng)的，這意味著任務(wù)被設(shè)計(jì)為等待事件發(fā)生才能執(zhí)行。如果任務(wù)等待的事件沒有發(fā)生，內(nèi)核運(yùn)行其他任務(wù)。等待任務(wù)消耗零 CPU 時(shí)間。發(fā)送信號(hào)和等待事件是通過(guò)內(nèi)核應(yīng)用程序編程接口 （API） 調(diào)用完成的。內(nèi)核允許您避免輪詢循環(huán)，這會(huì)浪費(fèi) CPU 的時(shí)間。以下是如何實(shí)現(xiàn)典型任務(wù)的示例：

內(nèi)核為程序員提供了許多有用的服務(wù)，例如多任務(wù)處理、中斷管理、任務(wù)間通信和信令、資源管理、時(shí)間管理、內(nèi)存分區(qū)管理等等。RTOS 可用于只有少量任務(wù)的簡(jiǎn)單應(yīng)用程序，但它是需要復(fù)雜且耗時(shí)的通信堆棧的應(yīng)用程序的必備工具，例如 TCP/IP、USB（主機(jī)和/或設(shè)備） ）、CAN、藍(lán)牙、Zigbee 等。當(dāng)應(yīng)用程序需要文件系統(tǒng)來(lái)存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)以及產(chǎn)品配備某種圖形顯示（黑白、灰度或彩色）時(shí)，強(qiáng)烈建議使用 RTOS。

內(nèi)置調(diào)試端口

ARM Cortex.-M 處理器配備了內(nèi)置于每個(gè)芯片上的特殊且非常強(qiáng)大的調(diào)試硬件。CoreSight 提供非侵入式功能，允許工具在不停止 CPU 的情況下監(jiān)視和控制實(shí)時(shí)系統(tǒng)，例如：

動(dòng)態(tài)內(nèi)存/外設(shè)訪問（讀取和寫入）

指令跟蹤（要求芯片還包括一個(gè)執(zhí)行跟蹤宏單元，ETM）

數(shù)據(jù)追蹤

使用分析計(jì)數(shù)器進(jìn)行分析

下圖顯示了 CoreSight 調(diào)試端口、CPU 和內(nèi)存/外設(shè)之間關(guān)系的簡(jiǎn)化框圖。

用于測(cè)試/調(diào)試實(shí)時(shí)系統(tǒng)的工具

下圖顯示了 CoreSight 如何連接到您的開發(fā)環(huán)境：

1 - 嵌入式開發(fā)人員經(jīng)常使用集成開發(fā)環(huán)境 （IDE），其中包括代碼編輯器、編譯器、匯編器、鏈接器、調(diào)試器和可能的其他工具。

IDE 中內(nèi)置的調(diào)試器只提供最基本的必需品：下載代碼、啟動(dòng)/停止、設(shè)置斷點(diǎn)和其他一些簡(jiǎn)單功能。一些調(diào)試器更進(jìn)一步，允許您在目標(biāo)運(yùn)行時(shí)顯示和更改變量（也稱為 Live Watch），但功能僅限于數(shù)值。包含內(nèi)置 RTOS 感知功能的調(diào)試器也很常見，但通常需要您暫停應(yīng)用程序以檢查 RTOS 的狀態(tài)（對(duì)于調(diào)試實(shí)時(shí)系統(tǒng)不太實(shí)用）。

2 - 當(dāng)您準(zhǔn)備好調(diào)試應(yīng)用程序時(shí)，通過(guò) Debugger Probe（例如 Segger J-Link ）將代碼下載到目標(biāo)。

3 - J-Link 連接到 CoreSight 調(diào)試端口，能夠啟動(dòng)/停止 CPU、下載代碼、對(duì)板載 Flash 進(jìn)行編程等。即使目標(biāo)正在執(zhí)行代碼，J-Link 也可以根據(jù)需要直接讀取和寫入內(nèi)存。

4 - Micrium 的 μC/Probe是一個(gè)獨(dú)立的、與 CPU 供應(yīng)商無(wú)關(guān)的、基于 Windows 的應(yīng)用程序，可讀取工具鏈生成的 ELF 文件。ELF 文件包含下載到目標(biāo)的代碼以及所有全局可訪問變量的名稱、它們的數(shù)據(jù)類型以及它們?cè)谀繕?biāo)內(nèi)存中的物理內(nèi)存位置。

5 - μC/Probe 允許用戶在運(yùn)行時(shí)（即實(shí)時(shí)）顯示或更改連接的嵌入式目標(biāo)上幾乎任何變量或內(nèi)存位置（包括 I/O 端口）的值。用戶只需從儀表、數(shù)字指示器、表格、圖形、虛擬 LED、條形圖、滑塊、開關(guān)、按鈕和其他組件的庫(kù)中填充 μC/Probe 的圖形環(huán)境，并將其中的每一個(gè)與變量或內(nèi)存位置相關(guān)聯(lián)嵌入式設(shè)備。μC/Probe 不需要您檢測(cè)目標(biāo)代碼以在運(yùn)行時(shí)顯示或更改變量。通過(guò)在 μC/Probe 的屏幕上添加虛擬滑塊或開關(guān)，您可以輕松更改運(yùn)行系統(tǒng)的參數(shù)（例如濾波器系數(shù)和 PID 回路增益）或驅(qū)動(dòng)設(shè)備和測(cè)試 I/O 端口。

6 - μC/Probe 向 J-Link 發(fā)送請(qǐng)求以讀取或?qū)懭雰?nèi)存。

7 - J-Link 請(qǐng)求被轉(zhuǎn)換為 CoreSight 命令以獲取變量值并將其以圖形方式顯示在 μC/Probe 的屏幕上。

8 -另一個(gè)用于測(cè)試/調(diào)試實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的非常有用的工具是 SEGGER 的 SystemView 。此工具通常與 RTOS 結(jié)合使用，并在時(shí)間線上顯示任務(wù)和 ISR 的執(zhí)行配置文件，以便您可以查看每個(gè)任務(wù)執(zhí)行所需的時(shí)間（最小/平均/最大），任務(wù)何時(shí)準(zhǔn)備好運(yùn)行，當(dāng)每個(gè)任務(wù)實(shí)際開始執(zhí)行時(shí)，當(dāng) ISR 執(zhí)行時(shí)等等。SystemView 可以幫助您發(fā)現(xiàn)可能多年未被注意到的錯(cuò)誤。但是，SystemView 要求您將代碼添加到記錄 RTOS 事件和 ISR 的目標(biāo)（由 SEGGER 免費(fèi)提供）。SystemView 還消耗少量 RAM 來(lái)緩沖這些事件。

9 - J-Link 允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問 CoreSight，因此您可以同時(shí)使用所有三個(gè)工具。

審核編輯：郭婷