摘要：在嵌入式實時操作系統(tǒng)中，由于存在多任務之間的切換，系統(tǒng)的跟蹤信息會發(fā)生亂序或丟失的情況。在TD-LTE多模基帶平臺產(chǎn)品開發(fā)期間，進行ARM子系統(tǒng)的運行流程控制和異常定位分析，滿足LTE系統(tǒng)中高速數(shù)據(jù)業(yè)務的需求，本文在雙模跟蹤技術基礎上對多模的跟蹤技術進行優(yōu)化，使多模跟蹤技術可靠性更好、性能更強，系統(tǒng)效率大大提高。
關鍵詞：TD-LTE；ARM；多?；鶐脚_；跟蹤技術
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公司針對復雜片上系統(tǒng)(SoC)設計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設計方面需要更高可視性的要求。在嵌入式應用系統(tǒng)復雜性越來越高的今天，跟蹤調(diào)試技術在整個系統(tǒng)開發(fā)過程中所占的比重也越來越大。因此，擁有高效、強大的跟蹤調(diào)試技術可以大大減少整個系統(tǒng)的開發(fā)時間，縮短產(chǎn)品面市時間，減輕系統(tǒng)開發(fā)的工作量。
在TD-LTE多?；鶐脚_的開發(fā)中，既要滿足多種模式(TD-LTE、TD-SCDMA和GSM)下跟蹤技術的一致性，又要滿足TD-LTE的高效率要求，更要保證跟蹤信息的有序性、正確性和實時性，這對跟蹤技術提出了更高的要求。通過對原始跟蹤技術方案與新跟蹤方案的性能進行對比分析，來選擇更加適合TD-LTE多模基帶平臺的跟蹤軟件技術。
1 總體概述
在多模終端的開發(fā)中，跟蹤技術對終端的性能有著至關重要的作用。由于本項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的性能，采用ARM新指令架構——ARMv6設計實現(xiàn)，故本項目采用ARM1176JZ內(nèi)核。
ARMv6架構通過以下幾點來增強處理器的性能：
①多媒體處理擴展，使MPEG4編碼／解碼速度和音頻處理速度加快一倍；
②增強的Cache結構，實地址Cache4減少Cache的刷新和重載，減少上下文切換的開銷；
③增強的異常和中斷處理，使實時任務的處理更加迅速；
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，本項目將跟蹤技術作為芯片軟件開發(fā)中的一個小模塊來處理，其系統(tǒng)結構如圖1所示。
當其他模塊有跟蹤信息打印時，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。如果需要，則通過UART串口將打印信息傳送到PC機的TRACE跟蹤軟件，TRACE模塊對其進行解碼之后，通過解碼軟件顯示出來。
2 原始跟蹤方案
2．1 緩存管理機制
原方案中的緩存管理機制采用備份緩存管理機制，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大小為128 KB的全局跟蹤信息緩存中。為避免在任務切換頻繁時，當前任務被高優(yōu)先級任務打斷造成數(shù)據(jù)丟失，申請一個16 KB的備份緩存用于存放高優(yōu)先級任務跟蹤信息。若當前跟蹤源在進行寫人操作，高優(yōu)先級任務調(diào)用跟蹤接口，當前跟蹤源的任務就被搶占，則將高級任務的跟蹤信息寫入備份緩存中，當前跟蹤源繼續(xù)進行當前未完成的寫操作。
每次寫完當前跟蹤信息，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)的類型和個數(shù)，這樣跟蹤源在打印動態(tài)臨時字符串時使用統(tǒng)一的跟蹤接口，使其他模塊的跟蹤源在使用跟蹤接口時更加方便。
2．2 跟蹤控制機制
原始方案的跟蹤通過類別和進程進行控制，進程的控制包括變量、主函數(shù)和子函數(shù)。PC端通過跟蹤控制工具發(fā)送相應的AT命令，在終端的內(nèi)存中讀取相應的設置值。若讀取的設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制，圖3中以TDS模式下的跟蹤控制為例進行介紹。
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2．3 傳輸控制機制
實時跟蹤系統(tǒng)通過串口在PC端和ARM子系統(tǒng)之間進行通信，采用DMA總線控制器進行跟蹤信息搬移。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
本設計方案采用的緩存機制是利用所有跟蹤函數(shù)在進入跟蹤時，均能夠確切知道當前跟蹤信息所需存儲空間長度的特點，為當前跟蹤信息預留出所需要的存儲空間。當?shù)蛢?yōu)先級任務的跟蹤信息被高優(yōu)先級任務跟蹤信息搶占時，內(nèi)存中已經(jīng)為低優(yōu)先級任務的跟蹤信息預留了存儲空間，不會導致跟蹤信息丟失和錯亂的情況，新緩存機制圖如圖4所示。
通過維護兩個寫索引和一個全局讀索引來管理緩存，其中兩個寫索引分別為全局寫索引和當前寫索引，全局寫索引用來與全局讀索引進行匹配，通過這兩個索引來計算緩存的剩余空間和已用空間，從而判斷何時發(fā)送和寫入跟蹤信息；而當前寫索引的作用就是為當前的跟蹤信息預留空間。在本設計中摒棄了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)用相應變量的跟蹤接口。
3．2 新跟蹤控制機制
新跟蹤控制機制的所有控制都由各個模塊的跟蹤源以函數(shù)宏定義的形式對跟蹤接口進行重新封裝，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行詳細的劃分，考慮采用橫向和縱向兩個方面來對跟蹤進行控制。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)中各個模塊的跟蹤信息的控制，當開發(fā)人員需要查看某個或某些模塊的跟蹤信息時，通過設置相應的值來輸出預想模塊的跟蹤信息。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個方面：
①在跟蹤控制方面，原始跟蹤方案的跟蹤控制過于細致，跟蹤判斷過程過于復雜繁瑣，多層的switch…case嵌套判斷消耗了一些處理器的時間；新跟蹤的控制采用跟蹤接口外部控制，若當前跟蹤不需要打印時，則當前任務不會進入跟蹤接口，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)先級任務的跟蹤信息寫入嵌套緩存中，當需要輸出跟蹤信息時，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間。而新跟蹤緩存中，將所有的跟蹤信息全部存儲到一個緩存中，直接將跟蹤信息輸出，節(jié)省了回拷過程的時間，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)部進行字符串的轉化過程，再通過PC端的解碼軟件來解析原始碼流，從而轉化成可見字符串，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中一個子幀的時間片來統(tǒng)計時間，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的一個無線幀長為10 ms，一個無線子幀又分為兩個5 ms的半幀，每個半幀中有5個1 ms子幀，每個子幀有0x7800個時間片。
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”及相應個數(shù)的變量的值，跟蹤信息消耗的時間為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)容及相應個數(shù)的變量的值，跟蹤信息消耗的時間為T_new=(0x4809-0x4188)×(1／0x7800)=0．052 6 ms。由此可見，T_old的消耗時間大約是T_new的2倍，新跟蹤方案節(jié)省了一半以上的時間，然后又多次對各種跟蹤接口進行驗證、測試、對比后，再次確認了新跟蹤方案對ARM的執(zhí)行效率有很大的提高。
結語
在多?；鶐У母櫡桨钢?，由于跟蹤的傳輸通道只有一個，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)務需求。綜上考慮，本項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)務的速率要求。
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