哪些工具可以在使用RTOS時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的bug？

越來越多的嵌入式系統(tǒng)依賴于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)的使用，以滿足實(shí)時(shí)需求，減少上市時(shí)間，簡化開發(fā)，增加代碼可移植性。盡管RTOS有許多好處，但它也有其缺點(diǎn)，如可能引入分配不當(dāng)?shù)娜蝿?wù)優(yōu)先級、堆棧溢出、饑餓、死鎖、優(yōu)先級反轉(zhuǎn)等bug。

一些專門設(shè)計(jì)的工具，可以幫助基于RTOS的程序開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)一些難以發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤。

RTOS是什么？

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS或?qū)崟r(shí)內(nèi)核)是有效地管理CPU時(shí)間的軟件。大多數(shù)內(nèi)核使用C編寫，僅需匯編語言編寫小部分代碼，使內(nèi)核適配不同的CPU體系結(jié)構(gòu)。在使用RTOS內(nèi)核設(shè)計(jì)應(yīng)用程序時(shí)，只需將工作分成任務(wù)，每個(gè)任務(wù)負(fù)責(zé)工作的一部分。任務(wù)（也稱為線程）是一個(gè)簡單的程序，認(rèn)為自己完全擁有CPU。

在單核CPU上，在任何給定時(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)。應(yīng)用代碼還需要根據(jù)任務(wù)重要性為每個(gè)任務(wù)分配優(yōu)先級以及任務(wù)堆棧(RAM)。一般來說，增加低優(yōu)先級任務(wù)不會(huì)影響系統(tǒng)對高優(yōu)先級任務(wù)的響應(yīng)。任務(wù)實(shí)現(xiàn)通常是一個(gè)無限循環(huán)，內(nèi)核負(fù)責(zé)任務(wù)的管理，稱為多任務(wù)處理。

多任務(wù)處理是在幾個(gè)順序任務(wù)之間調(diào)度和切換CPU的過程。多任務(wù)處理提供了具有多個(gè)CPU的錯(cuò)覺，最大化地使用CPU，如圖1所示。多任務(wù)處理還有助于創(chuàng)建模塊化的應(yīng)用程序。使用實(shí)時(shí)內(nèi)核后，應(yīng)用程序更容易設(shè)計(jì)和維護(hù)。

大多數(shù)商業(yè)RTOS都是搶占式調(diào)度方式，內(nèi)核總是運(yùn)行就緒的最重要的任務(wù)。搶占式內(nèi)核也是事件驅(qū)動(dòng)的，任務(wù)被設(shè)計(jì)為等待事件發(fā)生后才能執(zhí)行。如果任務(wù)等待的事件沒有發(fā)生，內(nèi)核將運(yùn)行其它任務(wù)。

等待狀態(tài)的任務(wù)不消耗CPU時(shí)間。通過內(nèi)核API調(diào)用來完成事件的發(fā)生和等待操作，避免輪詢操作，提高CPU時(shí)間的利用率。典型的任務(wù)實(shí)現(xiàn)示例，如下所示：

實(shí)時(shí)內(nèi)核提供了許多服務(wù)，如多任務(wù)處理、中斷管理、任務(wù)間通信與同步、資源管理、時(shí)間管理、內(nèi)存分區(qū)管理等。RTOS可以用于少量任務(wù)的簡單應(yīng)用，在需要復(fù)雜和耗時(shí)的通信的應(yīng)用中，如TCP/IP、USB（主機(jī)和/或設(shè)備）、CAN、藍(lán)牙、Zigbee應(yīng)用等，RTOS是一個(gè)必備工具。當(dāng)應(yīng)用程序需要文件系統(tǒng)來存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)，以及當(dāng)產(chǎn)品配備了圖形顯示（黑白、灰度或彩色）時(shí)，也強(qiáng)烈推薦使用RTOS。

硬件調(diào)試端口

ARM Cortex-M內(nèi)核配備了強(qiáng)大的調(diào)試硬件。CoreSight提供了非侵入性的功能，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（讀寫）

? 指令跟蹤(芯片需包括一個(gè)執(zhí)行跟蹤宏單元，ETM)

? 數(shù)據(jù)跟蹤

下圖顯示了Core Sight調(diào)試端口、CPU和內(nèi)存外設(shè)之間的關(guān)系簡化框圖。

系統(tǒng)測試/調(diào)試工具

下圖顯示了CoreSight如何連接到開發(fā)環(huán)境：

1、嵌入式開發(fā)通常使用集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，IDE中通常包含代碼編輯器、編譯器、匯編器、鏈接器、調(diào)試器等工具。

IDE內(nèi)置的調(diào)試器只提供了最基本的功能：下載代碼、啟動(dòng)/停止應(yīng)用、設(shè)置斷點(diǎn)等功能。一些調(diào)試器允許在目標(biāo)運(yùn)行時(shí)顯示和更改變量(如Live Watch)，但這些功能僅限于數(shù)值。許多調(diào)試器內(nèi)置RTOS插件，但通常需要停止應(yīng)用程序才能檢查RTOS的狀態(tài)（對于調(diào)試實(shí)時(shí)系統(tǒng)不太實(shí)用）。

2、通過調(diào)試器，例如Segger J-Link，將代碼下載到目標(biāo)系統(tǒng)。

3、J-Link連接到CoreSight調(diào)試端口，啟動(dòng)/停止CPU，下載代碼，編程板載Flash等。即使目標(biāo)系統(tǒng)正在執(zhí)行代碼，J-Link也可以讀寫內(nèi)存。

4、Micrium的μC/Probe是一個(gè)獨(dú)立的、與CPU無關(guān)的Windows應(yīng)用程序，它讀取工具鏈生成的ELF文件。ELF文件包含下載到目標(biāo)系統(tǒng)的代碼以及所有全局變量的名稱、數(shù)據(jù)類型和內(nèi)存位置。

5、μC/Probe允許用戶在運(yùn)行時(shí)顯示或更改連接的嵌入式目標(biāo)上的變量或內(nèi)存位置(包括I/O端口)的值。用戶只需在μC/Probe圖形環(huán)境填充量規(guī)、數(shù)字指示器、表格、圖表、虛擬LED、條形圖、滑塊、開關(guān)、按鈕等控件，并將控件與嵌入設(shè)備中的變量或內(nèi)存位置相關(guān)聯(lián)，即可在運(yùn)行時(shí)顯示或更改變量。通過μC/Probe圖形界面中添加的虛擬滑塊或開關(guān)，你可以輕松地更改運(yùn)行系統(tǒng)的參數(shù)（如過濾系數(shù)和PID回路增益）或啟動(dòng)設(shè)備并測試I/O端口。

6、μC/Probe向J-Link發(fā)送讀取或?qū)懭雰?nèi)存的請求。

7、J-Link請求將轉(zhuǎn)換為CoreSight命令，獲取變量值并顯示到μC/Probe圖形界面。

8、測試/調(diào)試實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的另一個(gè)非常有用的工具是SEGGER的SystemView。此工具通常與RTOS一起工作，按時(shí)間順序顯示任務(wù)和ISR的執(zhí)行，可以查看每個(gè)任務(wù)需要執(zhí)行的時(shí)間（最小/平均/最大），任務(wù)何時(shí)就緒，每個(gè)任務(wù)實(shí)際開始執(zhí)行時(shí)間，ISR何時(shí)執(zhí)行等。SystemView可以幫助你發(fā)現(xiàn)不易發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤。但SystemView需要向目標(biāo)系統(tǒng)添加記錄RTOS事件和ISR的駐留代碼(由SEGGER免費(fèi)提供)，SystemView還會(huì)消耗少量的RAM來緩存這些事件。

9、J-Link允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問CoreSight，因此你可以同時(shí)使用這三個(gè)工具。

基于RTOS應(yīng)用中的問題

堆棧溢出

在基于實(shí)時(shí)內(nèi)核的應(yīng)用中，每個(gè)任務(wù)都需要自己的堆棧。任務(wù)所需堆棧的大小取決于應(yīng)用程序。如果堆棧大于任務(wù)要求，則會(huì)浪費(fèi)內(nèi)存。如果堆棧太小，堆?？赡芤绯?。我們可以通過分配更多內(nèi)存來減少堆棧溢出的機(jī)會(huì)，通常需要25-50%的額外堆?？臻g。一些CPU，比如基于ARMv8M架構(gòu)的CPU，內(nèi)置了堆棧溢出檢測機(jī)制。然而，該特性并不能幫助確定合適的堆棧大小，它只是防止堆棧溢出的負(fù)面后果。

堆棧分配時(shí)，首先為任務(wù)堆棧分配更多空間，然后在已知最壞情況下運(yùn)行應(yīng)用程序，監(jiān)視實(shí)際堆棧使用情況。

下圖顯示了μC/Probe對測試應(yīng)用程序的μ/OS-III內(nèi)核感知的截圖。Stack Usage列顯示每個(gè)任務(wù)在給定時(shí)間的最大堆棧使用情況。μC/Probe將更新并實(shí)時(shí)顯示堆棧使用信息，無需停止目標(biāo)應(yīng)用。綠色表示最大堆棧使用量一直保持在70%。黃色表示堆棧使用量在70%到90%之間。紅色表示堆棧使用量已超過90%。顯然，使用92%堆棧的任務(wù)應(yīng)該增大堆棧，使其回到70%以下。

中斷響應(yīng)

在臨界代碼處理時(shí)，RTOS和應(yīng)用程序代碼通常必須禁用中斷。關(guān)中斷會(huì)影響系統(tǒng)對事件的響應(yīng)，RTOS應(yīng)用中盡量減少中斷禁用時(shí)間。

μC/OS-III會(huì)監(jiān)測每個(gè)任務(wù)最壞情況下的中斷禁用時(shí)間，下圖所示。如果應(yīng)用需要滿足實(shí)時(shí)截止時(shí)間，這些信息非常有用。

中斷被禁用的時(shí)間很大程度上取決于CPU、其時(shí)鐘速率、應(yīng)用程序和調(diào)用的RTOS服務(wù)。禁用中斷最長的任務(wù)用紅色高亮顯示，幫助用戶快速識(shí)別潛在的異常值。

如果最大中斷禁用時(shí)間是由RTOS引起的，可以：

查找并使用中斷禁用時(shí)間較低的RTOS API。

增加CPU的時(shí)鐘速率。

使用非內(nèi)核感知中斷來處理高度時(shí)間敏感的代碼。

優(yōu)先級反轉(zhuǎn)

優(yōu)先級反轉(zhuǎn)發(fā)生在低優(yōu)先級任務(wù)持有高優(yōu)先級任務(wù)需要的資源時(shí)。當(dāng)中等優(yōu)先級的任務(wù)搶占占用資源的低優(yōu)先級的任務(wù)時(shí)，問題就會(huì)加劇。“優(yōu)先級反轉(zhuǎn)”一詞指的是，低優(yōu)先級任務(wù)似乎比高優(yōu)先級任務(wù)具有更高的優(yōu)先權(quán)，至少在共享該資源時(shí)是如此。

優(yōu)先級反轉(zhuǎn)是實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的一個(gè)問題，當(dāng)使用基于優(yōu)先級的搶占式內(nèi)核時(shí)會(huì)發(fā)生。如下圖所示，SystemView展示了一個(gè)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)場景。

App HPT具有最高優(yōu)先級，App MPT 具有中優(yōu)先級，App LPT優(yōu)先級最低。

可以使用RTOS的互斥量機(jī)制來解決上面描述的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。優(yōu)先級反轉(zhuǎn)被限定為LPT訪問共享資源所需的時(shí)間，下圖所示。LPT和HPT都使用互斥量而非信號(hào)量來獲得對共享資源的訪問權(quán)。如果沒有SystemView這樣的工具，優(yōu)先級反轉(zhuǎn)將很難識(shí)別和校正。

注意，如果LPT只是HPT的下一個(gè)優(yōu)先級級別，則可以使用信號(hào)量。在這種情況下，RTOS不需要更改LPT的優(yōu)先級，信號(hào)量是首選項(xiàng)，它比互斥信號(hào)量快。

死鎖

死鎖是至少兩個(gè)任務(wù)相互等待另一個(gè)任務(wù)擁有的資源。死鎖可能不會(huì)立即發(fā)生，它很大程度上取決于兩個(gè)任務(wù)何時(shí)需要彼此的資源。如圖8所示，μC/Probe的內(nèi)核感知視圖有一列，顯示每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行頻率（RTOS切換任務(wù)的頻率）。通過監(jiān)視此列可以檢測死鎖。如果至少兩個(gè)任務(wù)的計(jì)數(shù)已停止（μC/Prboe在CPU運(yùn)行時(shí)更新這些計(jì)數(shù)器），則可能存在死鎖。對于這種情況，不需要使用μC/Probe等工具也可以判定鎖定行為，該工具使它更加明顯。

可以通過以下方法來避免死鎖：

1、任務(wù)先獲取所有必需的資源，以相同的順序獲取它們，以相反的順序釋放它們。

2、在RTOS API調(diào)用中使用超時(shí)機(jī)制，以避免永遠(yuǎn)等待資源可用。檢查RTOS API返回的錯(cuò)誤代碼，以確保對所需資源的請求成功。

任務(wù)饑餓

饑餓指高優(yōu)先級任務(wù)消耗了所有CPU帶寬，低優(yōu)先級任務(wù)沒有CPU時(shí)間或很少。饑餓的影響是響應(yīng)性和產(chǎn)品特性的下降，例如嵌入式目標(biāo)的顯示更新緩慢、通信堆棧中的數(shù)據(jù)包丟失、操作界面響應(yīng)遲緩等。為解決饑餓問題，可以：

1、優(yōu)化消耗大多數(shù)CPU帶寬的代碼。

2、提高CPU的時(shí)鐘速度。

總結(jié)

IDE內(nèi)置的調(diào)試器通常不足以調(diào)試基于RTOS的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

幸運(yùn)的是，有專門為調(diào)試基于RTOS的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的工具。其中一個(gè)工具是Segger的SystemView，它會(huì)按時(shí)間順序顯示ISR和任務(wù)的執(zhí)行，收集運(yùn)行時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如最小和最大執(zhí)行時(shí)間、ISR與任務(wù)之間的關(guān)系、CPU負(fù)載等。

另一個(gè)可以補(bǔ)充SystemView的工具是Micrium的μC/Probe，這是一個(gè)通用工具，它允許開發(fā)人員在不干擾CPU的情況下，可視化和改變正在運(yùn)行的嵌入式目標(biāo)的行為。μC/Probe可以用于裸機(jī)或基于RTOS的應(yīng)用中。對于基于RTOS的應(yīng)用程序，μC/Probe包括非侵入性的、實(shí)時(shí)內(nèi)核感知以及TCP/IP協(xié)議棧感知功能。SystemView和μC/Probe可以在整個(gè)開發(fā)周期中使用，提供關(guān)于嵌入式目標(biāo)的運(yùn)行時(shí)行為的反饋。