引言
隨著多核產(chǎn)品的日益普及，對跟蹤調(diào)試系統(tǒng)解決方案的性能要求也愈來愈高。ARM公司針對復(fù)雜片上系統(tǒng)(SoC)設(shè)計(jì)推出了高度可配置的跟蹤調(diào)試解決方案ARMCoreSightSoC，它滿足了軟件開發(fā)人員在SoC設(shè)計(jì)方面需要更高可視性的要求。在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)復(fù)雜性越來越高的今天，跟蹤調(diào)試技術(shù)在整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)過程中所占的比重也越來越大。因此，擁有高效、強(qiáng)大的跟蹤調(diào)試技術(shù)可以大大減少整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間，縮短產(chǎn)品面市時(shí)間，減輕系統(tǒng)開發(fā)的工作量。
在TD-LTE多模基帶平臺的開發(fā)中，既要滿足多種模式(TD-LTE、TD-SCDMA和GSM)下跟蹤技術(shù)的一致性，又要滿足TD-LTE的高效率要求，更要保證跟蹤信息的有序性、正確性和實(shí)時(shí)性，這對跟蹤技術(shù)提出了更高的要求。通過對原始跟蹤技術(shù)方案與新跟蹤方案的性能進(jìn)行對比分析，來選擇更加適合TD-LTE多模基帶平臺的跟蹤軟件技術(shù)。
1 總體概述
在多模終端的開發(fā)中，跟蹤技術(shù)對終端的性能有著至關(guān)重要的作用。由于本項(xiàng)目是多模單帶芯片的開發(fā)，多種系統(tǒng)的模式切換對微處理器的要求較高，鑒于ARM11系列處理器具有超強(qiáng)的性能，采用ARM新指令架構(gòu)——ARMv6設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，故本項(xiàng)目采用ARM1176JZ內(nèi)核。
ARMv6架構(gòu)通過以下幾點(diǎn)來增強(qiáng)處理器的性能：
①多媒體處理擴(kuò)展，使MPEG4編碼／解碼速度和音頻處理速度加快一倍；
②增強(qiáng)的Cache結(jié)構(gòu)，實(shí)地址Cache4減少Cache的刷新和重載，減少上下文切換的開銷；
③增強(qiáng)的異常和中斷處理，使實(shí)時(shí)任務(wù)的處理更加迅速；
④支持Unaligned和Mixed-endian數(shù)據(jù)訪問，使數(shù)據(jù)共享、軟件移植更簡單，也有利于節(jié)省存儲器空間。
在多模芯片的開發(fā)中，本項(xiàng)目將跟蹤技術(shù)作為芯片軟件開發(fā)中的一個(gè)小模塊來處理，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
當(dāng)其他模塊有跟蹤信息打印時(shí)，其他模塊調(diào)用TRACE模塊提供的打印函數(shù)。TRACE模塊接收到打印信息后，通過設(shè)置打印參數(shù)來判斷是否需要把這些打印信息發(fā)送到PC機(jī)。如果需要，則通過UART串口將打印信息傳送到PC機(jī)的TRACE跟蹤軟件，TRACE模塊對其進(jìn)行解碼之后，通過解碼軟件顯示出來。
2 原始跟蹤方案
2．1 緩存管理機(jī)制
原方案中的緩存管理機(jī)制采用備份緩存管理機(jī)制，采用含跟蹤頭和跟蹤信息的跟蹤信息幀格式，將跟蹤信息寫入一個(gè)大小為128 KB的全局跟蹤信息緩存中。為避免在任務(wù)切換頻繁時(shí)，當(dāng)前任務(wù)被高優(yōu)先級任務(wù)打斷造成數(shù)據(jù)丟失，申請一個(gè)16 KB的備份緩存用于存放高優(yōu)先級任務(wù)跟蹤信息。若當(dāng)前跟蹤源在進(jìn)行寫人操作，高優(yōu)先級任務(wù)調(diào)用跟蹤接口，當(dāng)前跟蹤源的任務(wù)就被搶占，則將高級任務(wù)的跟蹤信息寫入備份緩存中，當(dāng)前跟蹤源繼續(xù)進(jìn)行當(dāng)前未完成的寫操作。
每次寫完當(dāng)前跟蹤信息，檢查備份緩存中是否有數(shù)據(jù)，若有，則將備份緩存中的跟蹤信息拷回至全局跟蹤信息緩存中，從而保證全局跟蹤信息緩存中跟蹤信息的連續(xù)性，原始方案跟蹤緩存場景圖如圖2所示。在本方案中，緩存機(jī)制內(nèi)部采用svnsprintf函數(shù)將跟蹤信息寫入緩存，該函數(shù)可以滿足跟蹤源打印多個(gè)變量的值，通過遍歷參數(shù)列表，找出跟蹤源需要打印參數(shù)的類型和個(gè)數(shù)，這樣跟蹤源在打印動態(tài)臨時(shí)字符串時(shí)使用統(tǒng)一的跟蹤接口，使其他模塊的跟蹤源在使用跟蹤接口時(shí)更加方便。
2．2 跟蹤控制機(jī)制
原始方案的跟蹤通過類別和進(jìn)程進(jìn)行控制，進(jìn)程的控制包括變量、主函數(shù)和子函數(shù)。PC端通過跟蹤控制工具發(fā)送相應(yīng)的AT命令，在終端的內(nèi)存中讀取相應(yīng)的設(shè)置值。若讀取的設(shè)置值與跟蹤源的值相等，則打印出該條跟蹤；若不相等，則丟棄本條跟蹤。在本方案中所有的跟蹤控制都是在跟蹤接口內(nèi)部，這樣對各種跟蹤信息的控制更加明確和具體，通過switch…case語句對跟蹤類型進(jìn)行判斷，從而決定屏蔽跟蹤信息還是打印跟蹤信息。原始跟蹤控制圖如圖3所示，每種模式的跟蹤控制都采用同樣的機(jī)制，圖3中以TDS模式下的跟蹤控制為例進(jìn)行介紹。
2．3 傳輸控制機(jī)制
實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)通過串口在PC端和ARM子系統(tǒng)之間進(jìn)行通信，采用DMA總線控制器進(jìn)行跟蹤信息搬移。DMA是一種不經(jīng)過ARM處理器的CPU，可直接從內(nèi)存中存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模式。在DMA模式下，CPU只需向DMA總線控制器下達(dá)指令，就可使其處理數(shù)據(jù)的傳送，接收數(shù)據(jù)傳送完畢的反饋信息，從而大大降低了CPU資源占有率。傳輸控制單元采取DMA同步中斷發(fā)送跟蹤信息，每次以等長字節(jié)傳輸，將跟蹤信息搬移至串口發(fā)送寄存器中，再通過配置串口發(fā)送寄存器，將跟蹤信息發(fā)送至PC端解析顯示單元。
3 優(yōu)化后跟蹤方案
3．1 新跟蹤緩存的管理
本設(shè)計(jì)方案采用的緩存機(jī)制是利用所有跟蹤函數(shù)在進(jìn)入跟蹤時(shí)，均能夠確切知道當(dāng)前跟蹤信息所需存儲空間長度的特點(diǎn)，為當(dāng)前跟蹤信息預(yù)留出所需要的存儲空間。當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級任務(wù)的跟蹤信息被高優(yōu)先級任務(wù)跟蹤信息搶占時(shí)，內(nèi)存中已經(jīng)為低優(yōu)先級任務(wù)的跟蹤信息預(yù)留了存儲空間，不會導(dǎo)致跟蹤信息丟失和錯(cuò)亂的情況，新緩存機(jī)制圖如圖4所示。
通過維護(hù)兩個(gè)寫索引和一個(gè)全局讀索引來管理緩存，其中兩個(gè)寫索引分別為全局寫索引和當(dāng)前寫索引，全局寫索引用來與全局讀索引進(jìn)行匹配，通過這兩個(gè)索引來計(jì)算緩存的剩余空間和已用空間，從而判斷何時(shí)發(fā)送和寫入跟蹤信息；而當(dāng)前寫索引的作用就是為當(dāng)前的跟蹤信息預(yù)留空間。在本設(shè)計(jì)中摒棄了svnprintf函數(shù)，采用memcpy函數(shù)直接將跟蹤信息寫入緩存中，并且采用固定參數(shù)的跟蹤接口，跟蹤源根據(jù)跟蹤信息的不同需求，調(diào)用相應(yīng)變量的跟蹤接口。
3．2 新跟蹤控制機(jī)制
新跟蹤控制機(jī)制的所有控制都由各個(gè)模塊的跟蹤源以函數(shù)宏定義的形式對跟蹤接口進(jìn)行重新封裝，將跟蹤信息的判斷放在跟蹤接口的外部。跟蹤控制的場景不再進(jìn)行詳細(xì)的劃分，考慮采用橫向和縱向兩個(gè)方面來對跟蹤進(jìn)行控制。橫向的控制通過對跟蹤信息的重要程度來劃分，包括全開放、半開放、速率測試、用戶釋放和測試終端等方面；縱向的控制是系統(tǒng)中各個(gè)模塊的跟蹤信息的控制，當(dāng)開發(fā)人員需要查看某個(gè)或某些模塊的跟蹤信息時(shí)，通過設(shè)置相應(yīng)的值來輸出預(yù)想模塊的跟蹤信息。新跟蹤控制圖如圖5所示。
4 性能對比分析
通過原始跟蹤方案與新跟蹤方案的性能測試與對比分析得出，新跟蹤方案提高了ARM執(zhí)行效率表現(xiàn)在3個(gè)方面：
①在跟蹤控制方面，原始跟蹤方案的跟蹤控制過于細(xì)致，跟蹤判斷過程過于復(fù)雜繁瑣，多層的switch…case嵌套判斷消耗了一些處理器的時(shí)間；新跟蹤的控制采用跟蹤接口外部控制，若當(dāng)前跟蹤不需要打印時(shí)，則當(dāng)前任務(wù)不會進(jìn)入跟蹤接口，直接丟棄本條跟蹤，這樣避免了函數(shù)上下文切換的過程，減少了任務(wù)棧的切換，從而提高了執(zhí)行效率。
②緩存管理方面，原始跟蹤方案采用嵌套緩存，高優(yōu)先級任務(wù)的跟蹤信息寫入嵌套緩存中，當(dāng)需要輸出跟蹤信息時(shí)，需要將嵌套緩存中的數(shù)據(jù)回拷到全局跟蹤信息緩存，在回拷的過程中白白地消耗了處理器的時(shí)間。而新跟蹤緩存中，將所有的跟蹤信息全部存儲到一個(gè)緩存中，直接將跟蹤信息輸出，節(jié)省了回拷過程的時(shí)間，從而為處理器處理其他事件提高了效率。
③新跟蹤方案在跟蹤接口內(nèi)部摒棄了svnprintf函數(shù)，直接將跟蹤數(shù)據(jù)memcpy轉(zhuǎn)移到跟蹤緩存中。原始方案中，跟蹤數(shù)據(jù)的原始碼流通過svnprintf函數(shù)在ARM內(nèi)部進(jìn)行字符串的轉(zhuǎn)化過程，再通過PC端的解碼軟件來解析原始碼流，從而轉(zhuǎn)化成可見字符串，省去了函數(shù)遍歷參數(shù)的過程(該過程消耗了ARM的執(zhí)行時(shí)間)。從變參的跟蹤接口優(yōu)化成定參跟蹤接口，這種方式大大地提高了ARM的執(zhí)行效率。
對于兩種跟蹤方案的測試分析，采用調(diào)用一條相同的跟蹤信息所消耗的TD-LTE中一個(gè)子幀的時(shí)間片來統(tǒng)計(jì)時(shí)間，從而對比原始跟蹤方案與新跟蹤方案的效率提高程度。TD-LTE的一個(gè)無線幀長為10 ms，一個(gè)無線子幀又分為兩個(gè)5 ms的半幀，每個(gè)半幀中有5個(gè)1 ms子幀，每個(gè)子幀有0x7800個(gè)時(shí)間片。
跟蹤性能分析圖如圖6所示，在原始跟蹤方案中調(diào)用5次跟蹤接口打印字符串”ts_00_tra01_01tdynamicTrace01”及相應(yīng)個(gè)數(shù)的變量的值，跟蹤信息消耗的時(shí)間為T_old=(0x5679-0x481C)×(1／0x7800)=0．119 7 ms。在新跟蹤方案中，同樣調(diào)用5次新跟蹤方案，跟蹤接口打印同樣字符串的內(nèi)容及相應(yīng)個(gè)數(shù)的變量的值，跟蹤信息消耗的時(shí)間為T_new=(0x4809-0x4188)×(1／0x7800)=0．052 6 ms。由此可見，T_old的消耗時(shí)間大約是T_new的2倍，新跟蹤方案節(jié)省了一半以上的時(shí)間，然后又多次對各種跟蹤接口進(jìn)行驗(yàn)證、測試、對比后，再次確認(rèn)了新跟蹤方案對ARM的執(zhí)行效率有很大的提高。
結(jié)語
在多模基帶的跟蹤方案中，由于跟蹤的傳輸通道只有一個(gè)，不能在不同的系統(tǒng)模式下采用不同的跟蹤方案，并且TD_LTE多模方案中不僅要求跟蹤信息的可靠性、時(shí)序性和正確性，對跟蹤方案在ARM子系統(tǒng)中的執(zhí)行效率也有所要求，不能影響TD-LTE的高速率的業(yè)務(wù)需求。綜上考慮，本項(xiàng)目中采用新的跟蹤方案可以滿足TD-LTE多模基帶平臺下ARM子系統(tǒng)的執(zhí)行效率要求和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的速率要求。s
