幾十年前，嵌入式行業(yè)將重心從匯編轉(zhuǎn)移到了C編程。更快的處理器和更好的編譯器允許提高抽象層次，以提高嵌入式開(kāi)發(fā)效率和質(zhì)量。
我們現(xiàn)在正處于固件開(kāi)發(fā)技術(shù)的新的重大轉(zhuǎn)變之中。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOSes)的廣泛使用代表了第三代嵌入式軟件開(kāi)發(fā)。RTOSes引入了一個(gè)新的抽象層次，支持更復(fù)雜的應(yīng)用程序，但也不是沒(méi)有復(fù)雜性。
RTOS是一種用于嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速、確定性操作系統(tǒng)。這些操作系統(tǒng)通常非常小，因此適合在微控制器(MCU)中使用。RTOS的主要工作是提供多線程，從而允許將軟件功能分成多個(gè)“并行”程序，這些程序被稱為“任務(wù)”RTOS通過(guò)快速切換正在執(zhí)行的任務(wù)來(lái)制造并行執(zhí)行的假象。與通用操作系統(tǒng)不同，RTOS讓開(kāi)發(fā)人員能夠完全控制多線程，因此支持確定性的實(shí)時(shí)行為。
使用RTOS有很多好處，但它本身并不是一個(gè)解決方案，而且會(huì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。許多開(kāi)發(fā)商已經(jīng)一頭扎進(jìn)了RTOS的設(shè)計(jì)中，但往往沒(méi)有完全意識(shí)到其中的含義；他們使用的開(kāi)發(fā)工具對(duì)基于RTOS的開(kāi)發(fā)沒(méi)有適當(dāng)?shù)闹С?；由于這個(gè)原因，在嵌入式開(kāi)發(fā)中，他們可能在調(diào)試和驗(yàn)證方面遇到了很大的困難。
RTOS趨勢(shì)
RTOS自20世紀(jì)80年代初就已經(jīng)存在，但是由于多種原因，它們變得越來(lái)越普遍。嵌入式應(yīng)用變得越來(lái)越復(fù)雜、互聯(lián)和事件驅(qū)動(dòng)，使用高級(jí)外設(shè)和中間件堆棧，所有這些都需要并行管理。使用RTOS大大簡(jiǎn)化了這一過(guò)程。使用RTOS的替代方法是使用自定義狀態(tài)和邏輯自己實(shí)現(xiàn)某種執(zhí)行控制。對(duì)于更復(fù)雜的應(yīng)用程序，這往往會(huì)變得復(fù)雜，容易出錯(cuò)，并且難以維護(hù)。通過(guò)使用RTOS，你將執(zhí)行控制委托給高度優(yōu)化的RTOS內(nèi)核，該內(nèi)核已經(jīng)過(guò)全面的測(cè)試并在使用中得到驗(yàn)證。
雖然使用RTOS意味著較小的處理開(kāi)銷，但基于RTOS的設(shè)計(jì)通常比傳統(tǒng)的超級(jí)循環(huán)設(shè)計(jì)更有效。這是因?yàn)镽TOS任務(wù)可以在不浪費(fèi)處理器時(shí)間的情況下等待激活事件，并且由于較短的ISR(中斷服務(wù)例程)和搶先調(diào)度，響應(yīng)時(shí)間可以更快。此外，今天的MCU通常具有快速的32位內(nèi)核和大量的閃存和RAM內(nèi)存，使RTOS足跡不再是一個(gè)問(wèn)題。
在嵌入式開(kāi)發(fā)中，免費(fèi)提供的開(kāi)源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)越來(lái)越受歡迎，這使得基于RTOS的設(shè)計(jì)更容易獲得，并創(chuàng)建了大型用戶社區(qū)——一種作為正反饋循環(huán)的“臨界質(zhì)量”。RTOS不再像10-15年前那樣被大肆宣傳，而是被廣泛用于各種嵌入式應(yīng)用中。倡導(dǎo)基于RTOS的設(shè)計(jì)的不僅僅是RTOS的商業(yè)供應(yīng)商；現(xiàn)在，許多MCU廠商的軟件開(kāi)發(fā)套件中都包含了RTOS。
盡管RTOS并不是解決所有問(wèn)題的“靈丹妙藥”，而且可能不適合某些系統(tǒng)，但實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的日益使用無(wú)疑是當(dāng)今的一個(gè)主要趨勢(shì)，而且可能會(huì)繼續(xù)下去。
使用RTOS的挑戰(zhàn)
那么是什么讓RTOS如此特別，可以被稱為固件設(shè)計(jì)中的第三代呢？RTOS是一個(gè)非常特殊的軟件組件，因?yàn)樗刂屏顺绦虻膱?zhí)行，并以任務(wù)的形式帶來(lái)了新的抽象層次。當(dāng)使用RTOS時(shí)，程序的控制流從源代碼中不再明顯，因?yàn)镽TOS決定在任何給定時(shí)刻執(zhí)行哪個(gè)任務(wù)。這是一個(gè)根本性的變化，類似于從匯編到C編程的轉(zhuǎn)變，因?yàn)樗试S使用更高的抽象來(lái)提高生產(chǎn)率，但也意味著對(duì)細(xì)節(jié)的控制更少。
這是一把雙刃劍。它可以使設(shè)計(jì)復(fù)雜的應(yīng)用程序變得更加容易，但是這些應(yīng)用程序隨后可能會(huì)變得難以驗(yàn)證和調(diào)試。雖然RTOS可以降低應(yīng)用程序源代碼的復(fù)雜性，但它不會(huì)降低應(yīng)用程序本身固有的復(fù)雜性。當(dāng)作為一個(gè)系統(tǒng)一起執(zhí)行時(shí)，一組看似簡(jiǎn)單的RTOS任務(wù)可能導(dǎo)致驚人復(fù)雜的運(yùn)行時(shí)行為。
如前所述，RTOS本身并不是一個(gè)解決方案，對(duì)于不小心的人來(lái)說(shuō)還有很多陷阱。嵌入式開(kāi)發(fā)人員需要確定任務(wù)如何使用RTOS服務(wù)進(jìn)行交互和共享數(shù)據(jù)。此外，開(kāi)發(fā)人員需要決定重要的RTOS參數(shù)，如任務(wù)優(yōu)先級(jí)(相對(duì)緊急程度)，這些參數(shù)可能遠(yuǎn)非顯而易見(jiàn)。即使你已經(jīng)根據(jù)基于RTOS的設(shè)計(jì)的最佳實(shí)踐編寫了所有代碼，系統(tǒng)的其他部分(內(nèi)部或第三方組件)也可能運(yùn)行在相同的RTOS環(huán)境中，但可能不遵循相同的原則。
使基于RTOS的設(shè)計(jì)變得困難的根本問(wèn)題是RTOS任務(wù)不是孤立的實(shí)體。任務(wù)之間至少有一種依賴關(guān)系——它們共享的處理器時(shí)間。使用固定優(yōu)先級(jí)搶先調(diào)度，較高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)可以在幾乎任何時(shí)間點(diǎn)醒來(lái)并接管執(zhí)行，從而延遲較低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的執(zhí)行，直到所有較高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)都已完成。
其他類型的共享資源(如全局?jǐn)?shù)據(jù)或硬件外設(shè))也會(huì)導(dǎo)致任務(wù)之間的依賴性，因?yàn)楸匾耐娇赡軙?huì)阻止任務(wù)在需要時(shí)執(zhí)行。如果設(shè)計(jì)不正確，這可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的延遲，與任務(wù)優(yōu)先級(jí)無(wú)關(guān)。
當(dāng)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)(任務(wù)H)試圖訪問(wèn)當(dāng)前正被較低優(yōu)先級(jí)任務(wù)(任務(wù)L)使用的共享資源(例如通信接口)時(shí)，可能發(fā)生優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。通常，任務(wù)H會(huì)被阻塞一小段時(shí)間，直到任務(wù)L返回共享資源。如果此時(shí)一個(gè)中等優(yōu)先級(jí)的任務(wù)(任務(wù)M)恰好搶占了任務(wù)L，就會(huì)發(fā)生優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。任務(wù)H的阻塞變得更長(zhǎng)，這都是因?yàn)橐粋€(gè)不相關(guān)的任務(wù)具有更低的調(diào)度優(yōu)先級(jí)。在NASA探路者的例子中，這導(dǎo)致看門狗定時(shí)器超時(shí)并重置系統(tǒng)。
像日程安排和共享資源這樣的任務(wù)依賴性受時(shí)間的影響；例如執(zhí)行時(shí)間和輸入時(shí)間。這種定時(shí)屬性在源代碼中是不可見(jiàn)的，并且往往會(huì)根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和情況而變化。在嵌入式開(kāi)發(fā)中，這使得僅僅從源代碼來(lái)預(yù)測(cè)基于RTOS的系統(tǒng)的實(shí)時(shí)行為幾乎是不可能的。取決于許多因素，任務(wù)可能執(zhí)行得比預(yù)期的慢，有隨機(jī)的意外延遲，或者根本不執(zhí)行。即使系統(tǒng)看起來(lái)像在實(shí)驗(yàn)室中預(yù)期的那樣運(yùn)行，也可能有無(wú)數(shù)其他執(zhí)行場(chǎng)景在時(shí)間上有或多或少的顯著差異，其中一些可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。在最糟糕的情況下，系統(tǒng)通過(guò)了測(cè)試，但是對(duì)于你的客戶來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)會(huì)在隨機(jī)的情況下崩潰。這樣的問(wèn)題在系統(tǒng)級(jí)測(cè)試中很容易被忽略。此外，除非你能夠獲得與問(wèn)題相關(guān)的詳細(xì)診斷信息，否則重現(xiàn)它們進(jìn)行分析可能是一場(chǎng)噩夢(mèng)。
調(diào)試基于RTOS的系統(tǒng)
想在開(kāi)發(fā)的時(shí)候在同一個(gè)抽象層次上進(jìn)行調(diào)試是很自然的。當(dāng)嵌入式行業(yè)從匯編轉(zhuǎn)向C編程時(shí)，調(diào)試工具很快就提供了源代碼級(jí)別的調(diào)試，從而使C代碼視角成為正常的調(diào)試視角。然而，調(diào)試工具并沒(méi)有響應(yīng)RTOS的趨勢(shì)而發(fā)展到任何顯著的程度。一些調(diào)試器已經(jīng)更新了“RTOS感知”功能，允許你在調(diào)試時(shí)檢查RTOS對(duì)象(如任務(wù)和信號(hào)量)的狀態(tài)。但這些是“第二代”源代碼級(jí)調(diào)試器的增量改進(jìn)，嚴(yán)格關(guān)注源代碼和運(yùn)行/暫停/單步調(diào)試。僅使用傳統(tǒng)的源代碼級(jí)調(diào)試器來(lái)調(diào)試基于RTOS的系統(tǒng)相當(dāng)于在用c編程時(shí)使用匯編級(jí)調(diào)試器。
要完全理解基于RTOS的系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)行為，你需要在RTOS級(jí)別觀察實(shí)時(shí)行為的能力；即具有RTOS感知的跟蹤工具。在嵌入式開(kāi)發(fā)中，這是對(duì)傳統(tǒng)調(diào)試工具的補(bǔ)充，提供了RTOS級(jí)別的時(shí)間線，極大地方便了調(diào)試、驗(yàn)證和性能優(yōu)化。傳統(tǒng)調(diào)試器很像顯微鏡，用于檢查任務(wù)中的詳細(xì)執(zhí)行，而跟蹤更像實(shí)時(shí)執(zhí)行的慢動(dòng)作視頻。
有兩種類型的跟蹤，目的略有不同：硬件生成的和軟件生成的。硬件生成的跟蹤在源代碼或匯編級(jí)別提供了詳細(xì)的執(zhí)行跟蹤，但很少或沒(méi)有RTOS意識(shí)。為了記錄高速數(shù)據(jù)流，在處理器和板上都需要先進(jìn)的跟蹤硬件和合適的跟蹤支持。這種跟蹤往往會(huì)在較低的抽象級(jí)別產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這可能難以理解，并且僅限于處理器中實(shí)現(xiàn)的跟蹤功能。硬件生成的跟蹤主要用于覆蓋率分析和特別棘手問(wèn)題的調(diào)試，在這種情況下需要指令級(jí)跟蹤。
軟件生成的跟蹤意味著將跟蹤代碼片段添加到目標(biāo)軟件中，目的是記錄RTOS中的重要事件，也可以選擇記錄應(yīng)用程序代碼中的重要事件。你通常不需要自己插入RTOS跟蹤代碼，因?yàn)檫@通常是由RTOS或工具供應(yīng)商提供的。使用軟件跟蹤，任何軟件事件都可以被記錄，包括任何相關(guān)數(shù)據(jù)，基本上可以在任何處理器上記錄。缺點(diǎn)是跟蹤代碼的開(kāi)銷，但現(xiàn)代32位MCU上的RTOS級(jí)跟蹤只需要處理器時(shí)間的百分之幾，因?yàn)樾枰涗浀臄?shù)據(jù)相對(duì)較少，并且跟蹤的事件不是很頻繁。這使得使用通用調(diào)試接口或其他接口(如USB或TCP/IP)連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)成為可能。低數(shù)據(jù)速率也允許跟蹤RAM緩沖器。僅僅幾千字節(jié)就足以獲得最近事件的像樣的跟蹤。這樣，追蹤也可以在實(shí)驗(yàn)室之外使用；例如在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試或部署操作期間。
可視化對(duì)于理解痕跡至關(guān)重要。在嵌入式開(kāi)發(fā)中，許多嵌入式系統(tǒng)都有或多或少的循環(huán)行為，因此大多數(shù)跟蹤數(shù)據(jù)都是“正?！毙袨榈臒o(wú)關(guān)重復(fù)。有趣的部分通常是異常，但是如果你不知道具體要找什么，它們可能很難找到。然而，假設(shè)數(shù)據(jù)被正確可視化，人腦在識(shí)別視覺(jué)模式和異常方面是非凡的。
雖然一些工具可以將RTOS軌跡顯示為經(jīng)典的甘特圖，但是這種可視化不適合在同一視圖中顯示其他事件；例如API調(diào)用或用戶登錄。但是，垂直執(zhí)行跟蹤可以使用指向圖形執(zhí)行跟蹤的文本標(biāo)簽來(lái)顯示此類事件。此外，僅僅顯示執(zhí)行跟蹤是非常有限的，因?yàn)榭梢詮腞TOS跟蹤中獲得更多的信息。例如，任務(wù)和ISR的交互可以表示為依賴圖，還可以顯示關(guān)注其他相關(guān)RTOS對(duì)象(如信號(hào)量、隊(duì)列和互斥體)的跟蹤視圖。
結(jié)論
RTOS趨勢(shì)在嵌入式行業(yè)非常明顯，這是有充分理由的。由于日益復(fù)雜和互聯(lián)的應(yīng)用程序，越來(lái)越多的開(kāi)發(fā)人員依賴RTOS。此外，隨著開(kāi)發(fā)商被領(lǐng)先的解決方案所吸引，RTOS市場(chǎng)正在整合。
RTOS可以被視為第三代固件開(kāi)發(fā)，因?yàn)槎嗑€程帶來(lái)了更高層次的抽象和對(duì)執(zhí)行的更少細(xì)節(jié)控制。這有很大的缺陷，需要在RTOS級(jí)別提供更好的調(diào)試支持。然而，通用的調(diào)試工具并沒(méi)有響應(yīng)RTOS的趨勢(shì)而得到顯著的發(fā)展；相反，它們通常只提供對(duì)傳統(tǒng)調(diào)試器概念的增量改進(jìn)。
通過(guò)更好地了解基于RTOS的系統(tǒng)的實(shí)時(shí)執(zhí)行，可以簡(jiǎn)化這些系統(tǒng)的調(diào)試。這需要RTOS級(jí)別的跟蹤，其中可視化對(duì)于理解數(shù)據(jù)至關(guān)重要。在嵌入式開(kāi)發(fā)中，一些工具可以將RTOS軌跡顯示為水平甘特圖，但這并不理想。更復(fù)雜的可視化是可能的和可用的，針對(duì)RTOS跟蹤進(jìn)行了優(yōu)化，這使得理解運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)、發(fā)現(xiàn)重要問(wèn)題和驗(yàn)證解決方案變得更加容易。
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