分析復(fù)雜器件內(nèi)部的實(shí)時(shí)可視性的設(shè)計(jì)方法

　如果在一個(gè)系統(tǒng)中擁有幾個(gè)處理器和外設(shè)，要開(kāi)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(kāi)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(lái)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(kāi)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(lái)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。瓶頸、延遲和對(duì)于像總線和存儲(chǔ)器等共享資源的競(jìng)爭(zhēng)這些問(wèn)題，對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸來(lái)說(shuō)是致命的。為了獲得最佳性能，開(kāi)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(jiǎn)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(lái)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(kāi)發(fā)者分析所采集的數(shù)據(jù)。

　　回到現(xiàn)實(shí)情況

　　傳統(tǒng)上，當(dāng)沒(méi)有邏輯分析儀可用，或者太難于設(shè)置時(shí)，開(kāi)發(fā)者使用軟件測(cè)試工具來(lái)獲得對(duì)他們設(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(lái)采集、處理和上載調(diào)試數(shù)據(jù)。例如，在進(jìn)入和離開(kāi)一個(gè)函數(shù)時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉某個(gè)計(jì)時(shí)器，無(wú)論是過(guò)去還是現(xiàn)在，對(duì)于通過(guò)軟件分析器來(lái)對(duì)函數(shù)進(jìn)行描述來(lái)說(shuō)，這種方法都是一種的簡(jiǎn)捷方法。

　　盡管這只需要增加很少的C語(yǔ)言printf指令到測(cè)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(jìng)爭(zhēng)都有很大的影響。這些缺點(diǎn)使得printf只適合于測(cè)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，

　　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(lái)說(shuō)，對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)涉及到數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)緩沖、上載來(lái)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(cè)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(cè)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(lái)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(lái)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

　　緩沖寄存器又稱緩沖器，它分輸入緩沖器和輸出緩沖器兩種。前者的作用是將外設(shè)送來(lái)的數(shù)據(jù)暫時(shí)存放，以便處理器將它取走；后者的作用是用來(lái)暫時(shí)存放處理器送往外設(shè)的數(shù)據(jù)。有了數(shù)控緩沖器，就可以使高速工作的CPU與慢速工作的外設(shè)起協(xié)調(diào)和緩沖作用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的同步。由于緩沖器接在數(shù)據(jù)總線上，故必須具有三態(tài)輸出功能。 另有電梯緩沖器，汽車彈簧緩沖器。

　　通過(guò)將相似的數(shù)據(jù)點(diǎn)分組在一起，可以簡(jiǎn)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(lái)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(lái)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(lái)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)

　　把模擬音頻轉(zhuǎn)成數(shù)字音頻的過(guò)程，就稱作采樣，所用到的主要設(shè)備便是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，即ADC，與之對(duì)應(yīng)的是數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，即DAC）。采樣的過(guò)程實(shí)際上是將通常的模擬音頻信號(hào)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼0和1，這些0和1便構(gòu)成了數(shù)字音頻文件。采樣的頻率越大則音質(zhì)越有保證。由于采樣頻率一定要高于錄制的最高頻率的兩倍才不會(huì)產(chǎn)生失真，而人類的聽(tīng)力范圍是20Hz～20KHz，所以采樣頻率至少得是20k×2=40KHz，才能保證不產(chǎn)生低頻失真，這也是CD音質(zhì)采用44.1KHz（稍高于40 采樣過(guò)程kHz是為了留有余地）的原因。

　　通過(guò)周期性地以某一規(guī)定間隔截取音頻信號(hào)，從而將模擬音頻信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程。每次采樣時(shí)均指定一個(gè)表示在采樣瞬間的音頻信號(hào)的幅度的數(shù)字。

　　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(wú)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)設(shè)置一個(gè)特定的標(biāo)記來(lái)實(shí)現(xiàn)，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。