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　　如果在一個(gè)系統(tǒng)中擁有幾個(gè)處理器和外設(shè)，要開發(fā)具有成本效益、可靠的產(chǎn)品，尤其是在今天很短的產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間的條件下，了解所有這些芯片的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)特性將變得非常重要。實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)越來越多地在多內(nèi)核ASIC或系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)上實(shí)現(xiàn)，以利用這些器件所具有的低功耗、低成本和更高集成度的優(yōu)點(diǎn)。

　　開發(fā)者所擁有的很多這些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工具是依賴于了解老的技術(shù)產(chǎn)品的內(nèi)部運(yùn)行情況來實(shí)現(xiàn)的，已經(jīng)不適用于這些新型的、功能強(qiáng)大的多功能設(shè)計(jì)了。通過集成，SoC架構(gòu)在單個(gè)硅片上擁有多個(gè)處理器、存儲(chǔ)器、外設(shè)、控制器和其它重要的子系統(tǒng)組件。高速內(nèi)部總線連接這些不同的組件，整體的性能決定于他們之間的數(shù)據(jù)流的高效管理。瓶頸、延遲和對(duì)于像總線和存儲(chǔ)器等共享資源的競爭這些問題，對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸來說是致命的。為了獲得最佳性能，開發(fā)者應(yīng)比以前更需要了解芯片內(nèi)部運(yùn)行的具體情況。

　　然而，對(duì)系統(tǒng)組件之間的事務(wù)處理的監(jiān)控不再是像以前那樣連接一個(gè)邏輯分析儀或者總線分析儀那么簡單了，因?yàn)楹芏喔信d趣的信號(hào)深“埋”在芯片內(nèi)部。對(duì)SoC的可視性需要一套硬件和軟件相混合的裝置來采集SoC本身內(nèi)部的數(shù)據(jù)，并由特征描述以及關(guān)聯(lián)工具提供支持，這些工具能幫助開發(fā)者分析所采集的數(shù)據(jù)。

　　當(dāng)然可以通過不同的方式實(shí)現(xiàn)可視性。在很多情況下，可以觀察許多組件(如存儲(chǔ)器、系統(tǒng)總線和I/O端口)來采集信息。換言之，當(dāng)評(píng)估過程本身影響到結(jié)果的時(shí)候，要評(píng)估總線利用率和存儲(chǔ)器競爭情況就很難。挑戰(zhàn)在于在不影響系統(tǒng)性能的情況下采集和上載數(shù)據(jù)點(diǎn)。

　　回到現(xiàn)實(shí)情況

　　傳統(tǒng)上，當(dāng)沒有邏輯分析儀可用，或者太難于設(shè)置時(shí)，開發(fā)者使用軟件測試工具來獲得對(duì)他們?cè)O(shè)計(jì)的可視性。他們會(huì)向目標(biāo)對(duì)象增加調(diào)試代碼來采集、處理和上載調(diào)試數(shù)據(jù)。例如，在進(jìn)入和離開一個(gè)函數(shù)時(shí)打開和關(guān)閉某個(gè)計(jì)時(shí)器，無論是過去還是現(xiàn)在，對(duì)于通過軟件分析器來對(duì)函數(shù)進(jìn)行描述來說，這種方法都是一種的簡捷方法。

　　盡管這只需要增加很少的C語言Printf指令到測試代碼中，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化，并輸出到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的I/O器件，但此時(shí)這些代碼對(duì)代碼的大小、存儲(chǔ)器利用、緩沖器性能、時(shí)序和系統(tǒng)資源競爭都有很大的影響。這些缺點(diǎn)使得Printf只適合于測試非實(shí)時(shí)的控制代碼。對(duì)于實(shí)時(shí)的或者確定性代碼，例如，用在消費(fèi)媒體播放器和錄制設(shè)備、手持無線通信設(shè)備、電信、機(jī)器人技術(shù)或汽車上的應(yīng)用，需要采用其它的對(duì)系統(tǒng)影響較小的技術(shù)，以避免干擾目標(biāo)程序的執(zhí)行或錯(cuò)失實(shí)時(shí)期限。

　　減少干擾

　　有很多方法可以在增加可視性的同時(shí)減少干擾。從概念上來說，對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測涉及到數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)緩沖、上載來自目標(biāo)器件的數(shù)據(jù)、后續(xù)處理以及進(jìn)行顯示等。認(rèn)真安排這些活動(dòng)在什么時(shí)候以及哪里發(fā)生，可以將它們對(duì)系統(tǒng)性能的影響減到最小。減少與測試代碼以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備相關(guān)的存儲(chǔ)器區(qū)域，可以采集到更多的數(shù)據(jù)，并增加對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)行為測試的精度或廣度。

　　一般需要數(shù)據(jù)點(diǎn)幾倍大小的存儲(chǔ)空間來記錄關(guān)聯(lián)信息，這些關(guān)聯(lián)信息用于更準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行理解。例如，除了在采集時(shí)的數(shù)據(jù)值，可能還需要標(biāo)記數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的變量名字，獲得一個(gè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間的時(shí)間戳，并注意當(dāng)在獲得時(shí)間戳?xí)r正在執(zhí)行的函數(shù)等。有幾種方法用于獲得和組織這種關(guān)聯(lián)信息，并且不需要依賴于Printf和其字符串格式化功能。通常在數(shù)據(jù)中包含Pattern，如果用某種方式來采集數(shù)據(jù)，那么可以推斷出一些額外的特性，而不需要將它們包含到緩沖器中。增加可視性的一些方法包括：

　　1. 記錄格式

　　如果在緩沖器中采集一個(gè)變量，則不再需要對(duì)所采集的什么變量進(jìn)行標(biāo)記。如果需要采集多個(gè)值，就可以創(chuàng)建一種記錄格式，每一個(gè)值對(duì)應(yīng)一個(gè)給定的位置，這樣避免了不得不對(duì)采集的內(nèi)容再次進(jìn)行標(biāo)注的情況。

　　2. 多個(gè)緩沖器

　　通過將相似的數(shù)據(jù)點(diǎn)分組在一起，可以簡化循環(huán)緩沖管理，減少對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集延時(shí)。同樣地，如果按照優(yōu)先級(jí)來對(duì)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行隔離，那么當(dāng)系統(tǒng)在100%的利用狀態(tài)時(shí)，可能使循環(huán)緩沖器抓取到非關(guān)鍵信息的溢出，而不是用一個(gè)非實(shí)時(shí)的上載來弄亂了實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)限要求。在任何情況下，都需要用來標(biāo)記溢出的機(jī)制。并且如果緩沖器存在一些前提條件，例如需要重構(gòu)的時(shí)間戳，則可能追蹤丟失了多少數(shù)據(jù)。

　　3. 采樣數(shù)據(jù)

　　配置硬件計(jì)數(shù)器并使其運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)的影響很小。無論如何，讀取一個(gè)計(jì)數(shù)器并上載其值都是具有干擾性的。對(duì)計(jì)數(shù)器的記錄越頻繁，記錄就越準(zhǔn)確，但采集和上載的干擾就越大。在確定確實(shí)需要更準(zhǔn)確的信息之前，保持較低的記錄頻率。例如，一個(gè)記錄當(dāng)前哪個(gè)函數(shù)在執(zhí)行的周期性分析器能確保得到一個(gè)非常準(zhǔn)確的代碼使用百分比情況。這樣的分析器僅收集了在每個(gè)函數(shù)調(diào)用的記錄期間所采集的信息的一部分，于是干擾很小。也可以按低優(yōu)先級(jí)任務(wù)來對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)采樣，盡管這樣可能使得結(jié)果產(chǎn)生一些偏差。

　　4. 確定性的數(shù)據(jù)

　　如果數(shù)據(jù)采樣獲取的頻率固定的話，不必要加入一個(gè)時(shí)間戳。作為一種替代選擇，如果數(shù)據(jù)必須通過一組連續(xù)的運(yùn)算塊，只需記錄數(shù)據(jù)值和時(shí)間戳，因?yàn)榭梢詮臅r(shí)間戳的次序確定實(shí)際的程序塊。如果獲取了幾個(gè)值，可能更有效率，以確保數(shù)據(jù)流能通過一系列的程序塊，此時(shí)只需記錄函數(shù)和時(shí)間戳，并采用數(shù)據(jù)記錄格式。

　　5. 動(dòng)態(tài)/智能記錄

　　通常只在需要時(shí)采集數(shù)據(jù)(換言之，在對(duì)某些信息感興趣的情況下)，這樣減少了數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生的影響。利用幾個(gè)調(diào)試標(biāo)記，可以縮小采集的范圍。這可以通過設(shè)置一個(gè)特定的標(biāo)記來實(shí)現(xiàn)，這個(gè)標(biāo)記只有在感興趣的情況下才有效，通過這種方法，不會(huì)因?yàn)樯陷d不需要的信息使系統(tǒng)過載。這也減少了捕獲數(shù)據(jù)過程的開銷，節(jié)約緩沖器空間。設(shè)置或檢查一個(gè)標(biāo)記只需要一個(gè)或者兩個(gè)處理器周期，因此這是非常有用的方法，即使是對(duì)于基于硬件的計(jì)數(shù)器亦是如此。

　　6. 塊狀記錄

　　在某些情況下，在不影響執(zhí)行時(shí)(如沒有實(shí)時(shí)運(yùn)算時(shí))有可能可以暫停對(duì)象。此時(shí)可以通過在能安全暫停的情況下觸發(fā)一次暫停來“避免”緩沖期上載開銷，然后在系統(tǒng)暫停的時(shí)候再對(duì)緩沖器上載。

　　7. 按塊上載

　　如果任務(wù)比較空閑，可以在系統(tǒng)沒有完全利用時(shí)用來上載緩沖器。盡管這不會(huì)減少上載開銷，但卻可以將上載的影響轉(zhuǎn)移到一個(gè)對(duì)系統(tǒng)性能影響更小的時(shí)段。

　　8. RTOS監(jiān)測

　　對(duì)于更復(fù)雜的監(jiān)測，可以在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上找到支持。很多操作系統(tǒng)具有內(nèi)置的機(jī)制和庫，能支持片上監(jiān)測硬件，即易于配置又為管理循環(huán)緩沖器和向外發(fā)送數(shù)據(jù)流需要的基礎(chǔ)架構(gòu)提供基本代碼，并提供用于自監(jiān)測的Hook函數(shù)。通過對(duì)記錄過程抽象化以及卸載數(shù)據(jù)，可以快速地對(duì)監(jiān)測的對(duì)象、監(jiān)測的方式、監(jiān)測的頻率、獲取數(shù)據(jù)的位置以及卸載方式等進(jìn)行重新配置。在創(chuàng)建自己的基礎(chǔ)來測試代碼之前，應(yīng)首先檢查RTOS提供的內(nèi)容。

　　9. 避免訪問存儲(chǔ)器和其它系統(tǒng)資源

　　只有在硬件機(jī)制不足的情況下，才應(yīng)該用軟件手段作為補(bǔ)充，例如當(dāng)需要非常大的緩沖器或者當(dāng)有限的處理降低了整體的干擾時(shí)。理想的情況是，如果在不使用系統(tǒng)總線或存儲(chǔ)器的情況下監(jiān)測系統(tǒng)總線或存儲(chǔ)器，將能得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。如果將采集的數(shù)據(jù)量控制到最小，就可以避免使用存儲(chǔ)器中的緩沖器，只是通過JTAG或總線直接發(fā)送。

　　10. 連續(xù)采集

　　在過程中監(jiān)測如果需要采集大量的數(shù)據(jù)，可以考慮連續(xù)采集。注意，因?yàn)樵诿看芜\(yùn)行時(shí)會(huì)采集到不同的信息，將無法對(duì)結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)，因?yàn)闀r(shí)間戳包含不同的測試延時(shí)。在考慮從什么地方開始發(fā)現(xiàn)問題時(shí)，這種方法最好。因?yàn)檫@樣能降低概率，也能降低監(jiān)測的等級(jí)。

　　11. 模塊

　　如果通過JTAG或總線發(fā)送數(shù)據(jù)，則可以在目標(biāo)和主機(jī)之間放置一個(gè)處理模塊來處理時(shí)間戳的產(chǎn)生和有限的數(shù)據(jù)處理。通過將時(shí)間戳的工作卸載到該模塊，可以釋放測試總線的帶寬，用來發(fā)送更多的信息。模塊也是實(shí)現(xiàn)完全無干擾監(jiān)測的非常有效的方法。例如，模塊可以監(jiān)測系統(tǒng)總線，監(jiān)測測試總線上某個(gè)特定的存儲(chǔ)器地址范圍，或使用直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)來觸發(fā)一次準(zhǔn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)塊獲取。

　　給定不同實(shí)時(shí)應(yīng)用的特性，將希望測試不同的采集方案，來確定哪些組合能實(shí)現(xiàn)最小的干擾的最高可視性。例如，如果有多余的存儲(chǔ)器，那么可以增加緩沖器大小。這取決于采集什么樣的數(shù)據(jù)及采集多少數(shù)據(jù)。

　　硬件輔助監(jiān)測

　　在某些情況下，測試代碼可能要么對(duì)系統(tǒng)影響太大，要么不夠準(zhǔn)確，或者不能簡單地獲得理解流過復(fù)雜的SoC的數(shù)據(jù)流的動(dòng)態(tài)特性所需要的信息。越來越多的SoC架構(gòu)包含用于輔助監(jiān)測器件的硬件運(yùn)行的功能，以滿足這些需求：

　　1. 事件計(jì)數(shù)器

　　用軟件監(jiān)測一個(gè)事件時(shí)，很多細(xì)微的細(xì)節(jié)不容易被發(fā)現(xiàn)。例如，記錄某個(gè)特定的CPU內(nèi)核在等待訪問共享資源(如外部存儲(chǔ)器)時(shí)停止的次數(shù)，采用軟件就無法實(shí)現(xiàn)。包含一些設(shè)置很好的計(jì)數(shù)器的硬件設(shè)計(jì)，可以以很低的額外成本實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的深入了解。數(shù)據(jù)可以通過調(diào)試器的JTAG接口讀出，或被周期性地讀出，例如，由軟件中的背景任務(wù)讀出并寫入到緩沖器中，以便在稍后的時(shí)間進(jìn)行查詢。

　　2. 高水印計(jì)數(shù)器

　　通常，開發(fā)者需要理解器件會(huì)運(yùn)行的極限惡劣狀況，例如，服務(wù)中斷的最大時(shí)間或輸入數(shù)據(jù)中的最小和最大抖動(dòng)。高水印計(jì)數(shù)器提供硬件，這些硬件能被配置用于監(jiān)測特定總線事件，并鎖存最大的(高水印)或者最小的(低水印)的時(shí)間參數(shù)。在不需要太大的開銷情況下，他們能提供非常寶貴的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，否則需要用目標(biāo)軟件來實(shí)現(xiàn)，或采集數(shù)據(jù)并發(fā)送到片外以作后續(xù)處理。

　　3. 跟蹤

　　一種成本很高但非常有用的硬件輔助監(jiān)測方法是跟蹤。在這種方法中，總線事務(wù)被記錄在專用的片上存儲(chǔ)器中，這樣一來，可以捕獲導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)事件的最后的N個(gè)總線事務(wù)。

　　上載捕獲的數(shù)據(jù)

　　一般來說，你會(huì)上載數(shù)據(jù)到一個(gè)開發(fā)系統(tǒng)中(如電腦)，或者上載到一個(gè)監(jiān)控模塊作進(jìn)一步分析。一旦確定需要采集什么樣的調(diào)試信息，以及如何采集以盡量減少干擾，那么必須決定如何從芯片向外發(fā)送數(shù)據(jù)-理想的情況是在應(yīng)用程序還在運(yùn)行時(shí)能夠發(fā)送。

　　應(yīng)該做的是緩沖器深度和上載頻率之間的折衷。你調(diào)試數(shù)據(jù)緩沖器越小，上載數(shù)據(jù)的頻率越高。頻繁上載將對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生持續(xù)的影響。如果有一個(gè)大的存儲(chǔ)器池用于緩存調(diào)試數(shù)據(jù)，那么采集數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響就會(huì)較小。然而，更大緩沖器則需要更多的目標(biāo)存儲(chǔ)器，在器件運(yùn)行期間上載數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響將更顯著。

　　在應(yīng)用現(xiàn)場，通過像串行總線、TCP/IP連接或者USB端口等系統(tǒng)端口上載數(shù)據(jù)可能非常有用。增加的數(shù)據(jù)吞吐量不僅消耗這些端口的帶寬，但也占用處理器周期，來處理協(xié)議并完成數(shù)據(jù)傳輸。

　　當(dāng)采集比芯片上能實(shí)時(shí)提供的還多的數(shù)據(jù)時(shí)，將不可避免地在獲取的數(shù)據(jù)中引入空隙。在這些情況中，有必要周期性地插入足夠的關(guān)聯(lián)信息，以確保數(shù)據(jù)在最終從片上捕獲后能被成功解碼。對(duì)數(shù)據(jù)打包或者引入周期性的“同步點(diǎn)”是在數(shù)據(jù)流中提供這種額外信息的兩種方法?？梢宰鳛閿?shù)據(jù)上載過程的一部分來完成這個(gè)工作，這樣冗余的信息就不必存儲(chǔ)在片上。

　　如果在一個(gè)SoC中多個(gè)CPU內(nèi)核共同工作，常常需要并行地對(duì)每個(gè)內(nèi)核上載獲取的信息，以便體現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)的完整情況。如果多個(gè)上載路徑不可用，要么在上載之前將來自多個(gè)內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)合起來放到一個(gè)緩沖器中，要么將它們按照某種方式復(fù)用起來以共享上載路徑。同樣的，在決定處理這些問題的最佳方法時(shí)，需要考慮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和數(shù)據(jù)的相對(duì)重要性。如果有很多相對(duì)不重要的數(shù)據(jù)來自其中的一個(gè)內(nèi)核，而另外一個(gè)內(nèi)核偶爾會(huì)發(fā)送一些重要信息，你需要采用一種方法確保重要的信息能優(yōu)先于非重要的信息。

　　可視化及分析

　　將從SoC器件中產(chǎn)生的原始信息轉(zhuǎn)換成一種易于理解的格式對(duì)SoC本身提出了許多挑戰(zhàn)。能采集到的數(shù)據(jù)種類、用于采集這些數(shù)據(jù)需要的特定硬件機(jī)制以及各類不同的應(yīng)用，用戶需要解決所有這些特殊的問題，這就使得創(chuàng)建一個(gè)通用的可視化工具非常具有挑戰(zhàn)性。模塊和定制化工具能進(jìn)行定制，使其能用于特定的硬件、軟件和要解決的問題領(lǐng)域，這通常是克服這些挑戰(zhàn)所需的靈活性的最佳方法。使用一種模塊化的框架使其很容易將來自不同的數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，針對(duì)特定類型的信息分析關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，并以一種易于理解的形式顯示這些從數(shù)據(jù)中得到的信息。這里描述了這種框架應(yīng)該提供的一些功能類型實(shí)例：

　　1. 關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)點(diǎn)

　　在解決一個(gè)多處理器SoC中的瓶頸、競爭或負(fù)載均衡這類系統(tǒng)級(jí)問題時(shí)，可能需要從多個(gè)處理器和加速器采集數(shù)據(jù)。在這種情況下，重構(gòu)系統(tǒng)行為需要將多個(gè)記錄關(guān)聯(lián)到一個(gè)時(shí)間線。在某些系統(tǒng)上，系統(tǒng)時(shí)鐘的實(shí)用性較高，從而可以使這個(gè)問題簡單化。而對(duì)于另外一些系統(tǒng)，可能需要通過利用像DMA這樣的系統(tǒng)資源，從其它內(nèi)核來訪問的方式利用時(shí)鐘。如果公共時(shí)鐘不可行，可以使用其他機(jī)制來周期性地同步多個(gè)內(nèi)核的時(shí)間。其中的一個(gè)方法是使用中斷來將一個(gè)同步時(shí)間戳通過共享存儲(chǔ)器傳遞。理想情況時(shí)，可視化工具能適應(yīng)這些不同的記錄關(guān)聯(lián)方法。

　　2. 分析基礎(chǔ)架構(gòu)

　　一種模塊框架能夠?qū)⒊Ｒ姷姆治龌顒?dòng)制作成模塊，這些模塊能用來實(shí)現(xiàn)很多不同的分析和可視化工具，例如，一種普通的可定制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和表格，可以很容易用于創(chuàng)建一種消息記錄瀏覽器;一種能夠?qū)⒒谝皇录驎r(shí)間戳的多個(gè)數(shù)據(jù)流關(guān)聯(lián)起來的分析模塊，可以被用作為一個(gè)構(gòu)建塊，來構(gòu)造送往其它分析模塊的數(shù)據(jù);一種用來分析過去一段時(shí)間的高水位標(biāo)志的模塊能為特定應(yīng)用的Dashboard、帶寬利用率監(jiān)測器等提供一些基本依據(jù)。

　　3. 可擴(kuò)展性

　　盡管可以用一些普通組件來評(píng)估所采集的大量數(shù)據(jù)，但最好是能夠構(gòu)造定制組件來擴(kuò)展工具的環(huán)境。

　　4. 可配置性

　　可視化工具對(duì)于從大的緩沖器上載中提取有意義的信息非常關(guān)鍵，開發(fā)者需要能配置工具來強(qiáng)調(diào)特殊的差異性和數(shù)據(jù)峰值以發(fā)現(xiàn)一般的行為和異常的行為。為了從目標(biāo)對(duì)象上卸載數(shù)據(jù)處理，所用工具應(yīng)該提供允許將智能特性構(gòu)建到工具中的可編程基本功能，并減少需要采集的數(shù)據(jù)量。還應(yīng)該提供足夠的控制以確定在任何給定的時(shí)間，來規(guī)定應(yīng)該采集什么樣的數(shù)據(jù)。

　　看看現(xiàn)實(shí)

　　獲得對(duì)實(shí)時(shí)SoC系統(tǒng)內(nèi)部的可視性的挑戰(zhàn)當(dāng)然并不是微不足道的小事。采集到足夠的信息來產(chǎn)生不需要校正的有意義的結(jié)果，需要一種系統(tǒng)級(jí)的方法。通過使用軟件工具庫，利用硬件輔助監(jiān)測以及對(duì)數(shù)據(jù)如何從芯片上發(fā)送出來的管理，增加準(zhǔn)確性、寬度、深度和采集數(shù)據(jù)的粒度，使得開發(fā)者能采集更多的可靠信息。新的靈活工具套件和軟件開發(fā)策略將幫助開發(fā)者來應(yīng)對(duì)測試和調(diào)試用于具有高精度和高置信度的實(shí)時(shí)應(yīng)用的復(fù)雜SoC架構(gòu)的挑戰(zhàn)