分析复杂器件内部的实时可视性的设计方法

　如果在一个系统中拥有几个处理器和外设，要开发具有成本效益、可靠的产品，尤其是在今天很短的产品开发时间的条件下，了解所有这些芯片的实时动态特性将变得非常重要。实时嵌入式系统越来越多地在多内核ASIC或系统级芯片（SoC）上实现，以利用这些器件所具有的低功耗、低成本和更高集成度的优点。

　　开发者所拥有的很多这些标准设计工具是依赖于了解老的技术产品的内部运行情况来实现的，已经不适用于这些新型的、功能强大的多功能设计了。瓶颈、延迟和对于像总线和存储器等共享资源的竞争这些问题，对于实时数据传输来说是致命的。为了获得最佳性能，开发者应比以前更需要了解芯片内部运行的具体情况。

　　然而，对系统组件之间的事务处理的监控不再是像以前那样连接一个逻辑分析仪或者总线分析仪那么简单了，因为很多感兴趣的信号深“埋”在芯片内部。对SoC的可视性需要一套硬件和软件相混合的装置来采集SoC本身内部的数据，并由特征描述以及关联工具提供支持，这些工具能帮助开发者分析所采集的数据。

　　回到现实情况

　　传统上，当没有逻辑分析仪可用，或者太难于设置时，开发者使用软件测试工具来获得对他们设计的可视性。他们会向目标对象增加调试代码来采集、处理和上载调试数据。例如，在进入和离开一个函数时打开和关闭某个计时器，无论是过去还是现在，对于通过软件分析器来对函数进行描述来说，这种方法都是一种的简捷方法。

　　尽管这只需要增加很少的C语言printf指令到测试代码中，对采集的数据进行格式化，并输出到一个标准的I/O器件，但此时这些代码对代码的大小、存储器利用、缓冲器性能、时序和系统资源竞争都有很大的影响。这些缺点使得printf只适合于测试非实时的控制代码。对于实时的或者确定性代码，

　　减少干扰

　　有很多方法可以在增加可视性的同时减少干扰。从概念上来说，对一个系统进行监测涉及到数据采集、数据缓冲、上载来自目标器件的数据、后续处理以及进行显示等。认真安排这些活动在什么时候以及哪里发生，可以将它们对系统性能的影响减到最小。减少与测试代码以及数据采集设备相关的存储器区域，可以采集到更多的数据，并增加对系统实时行为测试的精度或广度。

　　一般需要数据点几倍大小的存储空间来记录关联信息，这些关联信息用于更准确地对其进行理解。例如，除了在采集时的数据值，可能还需要标记数据相关联的变量名字，获得一个数据采集时间的时间戳，并注意当在获得时间戳时正在执行的函数等。有几种方法用于获得和组织这种关联信息，并且不需要依赖于printf和其字符串格式化功能。通常在数据中包含pattern，如果用某种方式来采集数据，那么可以推断出一些额外的特性，而不需要将它们包含到缓冲器中。增加可视性的一些方法包括：

　　1. 记录格式

　　如果在缓冲器中采集一个变量，则不再需要对所采集的什么变量进行标记。如果需要采集多个值，就可以创建一种记录格式，每一个值对应一个给定的位置，这样避免了不得不对采集的内容再次进行标注的情况。

　　2. 多个缓冲器

　　缓冲寄存器又称缓冲器，它分输入缓冲器和输出缓冲器两种。前者的作用是将外设送来的数据暂时存放，以便处理器将它取走；后者的作用是用来暂时存放处理器送往外设的数据。有了数控缓冲器，就可以使高速工作的CPU与慢速工作的外设起协调和缓冲作用，实现数据传送的同步。由于缓冲器接在数据总线上，故必须具有三态输出功能。 另有电梯缓冲器，汽车弹簧缓冲器。

　　通过将相似的数据点分组在一起，可以简化循环缓冲管理，减少对每个数据点的采集延时。同样地，如果按照优先级来对数据采集进行隔离，那么当系统在100%的利用状态时，可能使循环缓冲器抓取到非关键信息的溢出，而不是用一个非实时的上载来弄乱了实时系统的时限要求。在任何情况下，都需要用来标记溢出的机制。并且如果缓冲器存在一些前提条件，例如需要重构的时间戳，则可能追踪丢失了多少数据。

　　3. 采样数据

　　把模拟音频转成数字音频的过程，就称作采样，所用到的主要设备便是模拟/数字转换器（Analog to Digital Converter，即ADC，与之对应的是数/模转换器，即DAC）。采样的过程实际上是将通常的模拟音频信号的电信号转换成二进制码0和1，这些0和1便构成了数字音频文件。采样的频率越大则音质越有保证。由于采样频率一定要高于录制的最高频率的两倍才不会产生失真，而人类的听力范围是20Hz～20KHz，所以采样频率至少得是20k×2=40KHz，才能保证不产生低频失真，这也是CD音质采用44.1KHz（稍高于40  采样过程kHz是为了留有余地）的原因。

　　通过周期性地以某一规定间隔截取音频信号，从而将模拟音频信号变换为数字信号的过程。每次采样时均指定一个表示在采样瞬间的音频信号的幅度的数字。

　　配置硬件计数器并使其运行对系统的影响很小。无论如何，读取一个计数器并上载其值都是具有干扰性的。对计数器的记录越频繁，记录就越准确，但采集和上载的干扰就越大。在确定确实需要更准确的信息之前，保持较低的记录频率。例如，一个记录当前哪个函数在执行的周期性分析器能确保得到一个非常准确的代码使用百分比情况。这样的分析器仅收集了在每个函数调用的记录期间所采集的信息的一部分，于是干扰很小。也可以按低优先级任务来对数据点采样，尽管这样可能使得结果产生一些偏差。

　　4. 确定性的数据

　　如果数据采样获取的频率固定的话，不必要加入一个时间戳。作为一种替代选择，如果数据必须通过一组连续的运算块，只需记录数据值和时间戳，因为可以从时间戳的次序确定实际的程序块。如果获取了几个值，可能更有效率，以确保数据流能通过一系列的程序块，此时只需记录函数和时间戳，并采用数据记录格式。

　　5. 动态/智能记录

　　通常只在需要时采集数据（换言之，在对某些信息感兴趣的情况下），这样减少了数据采集产生的影响。利用几个调试标记，可以缩小采集的范围。这可以通过设置一个特定的标记来实现，节约缓冲器空间。设置或检查一个标记只需要一个或者两个处理器周期，因此这是非常有用的方法，即使是对于基于硬件的计数器亦是如此。[!--empirenews.page--]

　　6. 块状记录

　　在某些情况下，在不影响执行时（如没有实时运算时）有可能可以暂停对象。此时可以通过在能安全暂停的情况下触发一次暂停来“避免”缓冲期上载开销，然后在系统暂停的时候再对缓冲器上载。

　　7. 按块上载

　　如果任务比较空闲，可以在系统没有完全利用时用来上载缓冲器。尽管这不会减少上载开销，但却可以将上载的影响转移到一个对系统性能影响更小的时段。

　　8. RTOS监测

　　RTOS，即：实时系统（Real-time operating system），实时系统能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和外部或内部、同步或异步时间做出响应的系统。它的正确性不仅依赖系统计算的逻辑结果，还依赖于产生这个结果的时间。因此实时系统应该在事先先定义的时间范围内识别和处理离散事件的能力；系统能够处理和储存控制系统所需要的大量数据。 为了便于理解，机场的售票系统就是一个典型的实时系统。

　　对于更复杂的监测，可以在实时操作系统上找到支持。很多操作系统具有内置的机制和库，能支持片上监测硬件，即易于配置又为管理循环缓冲器和向外发送数据流需要的基础架构提供基本代码，并提供用于自监测的Hook函数。通过对记录过程抽象化以及卸载数据，可以快速地对监测的对象、监测的方式、监测的频率、获取数据的位置以及卸载方式等进行重新配置。在创建自己的基础来测试代码之前，应首先检查RTOS提供的内容。

　　RTOS就是这样的一个标准内核，包括了各种片上外设初始化和数据结构的格式化，不必、也不推荐用户再对硬件设备和资源进行直接操作，所有的硬件设置和资源访问都要通过RTOS核心。硬件这样屏蔽起来以后，用户不必清楚硬件系统的每一个细节就可以进行开发，这样就减少了开发前的学习量。

　　一般来说，对硬件的直接访问越少，系统的可靠性越高。RTOS是一个经过测试的内核，与一般用户自行编写的主程序内核相比，更规范，效率和可靠性更高。对于一个精通单片机硬件系统和编程的“老手”而言，通过RTOS对系统进行管理可能不如直接访问更直观、自由度大，但是通过RTOS管理能够排除人为疏忽因素，提高软件可靠性。

　　另外，高效率地进行多任务支持是RTOS设计从始至终的一条主线，采用RTOS管理系统可以统一协调各个任务，优化CPU时间和系统资源的分配，使之不空闲、不拥塞。针对某种具体应用，精细推敲的应用程序不采用RTOS可能比采用RTOS能达到更高的效率；但是对于大多数一般用户和新手而言，采用RTOS是可以提高资源利用率的，尤其是在片上资源不断增长、产品可靠性和进入市场时间更重要的今天。

　　9. 避免访问存储器和其它系统资源

　　只有在硬件机制不足的情况下，才应该用软件手段作为补充，例如当需要非常大的缓冲器或者当有限的处理降低了整体的干扰时。理想的情况是，如果在不使用系统总线或存储器的情况下监测系统总线或存储器，将能得到更准确的结果。如果将采集的数据量控制到最小，就可以避免使用存储器中的缓冲器，只是通过JTAG或总线直接发送。

　　10. 连续采集

　　在一段时间内从流体中连续采集样品，对于该时段而言，称之为连续采样。连续采样主要用于污染物浓度随时间变化的场合，用以描述流体中污染物质的平均浓度，尤其适用于江、河的水质监测和连续排放的废水污染源、废气污染源的监测。可反映一定时段内的平均水平，代表性强；缺点是不能反映污染物的瞬时浓度和最大值，容易掩盖污染的极限情况。

　　在过程中监测如果需要采集大量的数据，可以考虑连续采集。注意，因为在每次运行时会采集到不同的信息，将无法对结果进行关联，因为时间戳包含不同的测试延时。在考虑从什么地方开始发现问题时，这种方法最好。因为这样能降低概率，也能降低监测的等级。

　　11. 模块

　　如果通过JTAG或总线发送数据，则可以在目标和主机之间放置一个处理模块来处理时间戳的产生和有限的数据处理。通过将时间戳的工作卸载到该模块，可以释放测试总线的带宽，用来发送更多的信息。模块也是实现完全无干扰监测的非常有效的方法。例如，模块可以监测系统总线，监测测试总线上某个特定的存储器地址范围，或使用直接存储器访问（DMA）来触发一次准实时的数据块获取。

　　硬件辅助监测

　　在某些情况下，测试代码可能要么对系统影响太大，要么不够准确，或者不能简单地获得理解流过复杂的SoC的数据流的动态特性所需要的信息。越来越多的SoC架构包含用于辅助监测器件的硬件运行的功能，以满足这些需求：

　　1. 事件计数器

　　计数是一种最简单基本的运算，计数器就是实现这种运算的逻辑电路，计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测量、计数和控制的功能，同时兼有分频功能，计数器是由基本的计数单元和一些控制门所组成，计数单元则由一系列具有存储信息功能的各类触发器构成，这些触发器有RS触发器、T触发器、D触发器及JK触发器等。计数器在数字系统中应用广泛，如在电子计算机的控制器中对指令地址进行计数，以便顺序取出下一条指令，在运算器中作乘法、除法运算时记下加法、减法次数，又如在数字仪器中对脉冲的计数等等。计数器可以用来显示产品的工作状态，一般来说主要是用来表示产品已经完成了多少份的折页配页工作。

　　用软件监测一个事件时，很多细微的细节不容易被发现。例如，记录某个特定的CPU内核在等待访问共享资源（如外部存储器）时停止的次数，采用软件就无法实现。包含一些设置很好的计数器的硬件设计，可以以很低的额外成本实现对系统动态特性的深入了解。数据可以通过调试器的JTAG接口读出，或被周期性地读出，例如，由软件中的背景任务读出并写入到缓冲器中，以便在稍后的时间进行查询。[!--empirenews.page--]

　　2. 高水印计数器

　　通常，开发者需要理解器件会运行的极限恶劣状况，例如，服务中断的最大时间或输入数据中的最小和最大抖动。高水印计数器提供硬件，这些硬件能被配置用于监测特定总线事件，并锁存最大的（高水印）或者最小的（低水印）的时间参数。在不需要太大的开销情况下，他们能提供非常宝贵的统计数据，否则需要用目标软件来实现，或采集数据并发送到片外以作后续处理。

　　3. 跟踪

　　一种成本很高但非常有用的硬件辅助监测方法是跟踪。在这种方法中，总线事务被记录在专用的片上存储器中，这样一来，可以捕获导致产生一个事件的最后的N个总线事务。

　　上载捕获的数据

　　一般来说，你会上载数据到一个开发系统中（如电脑），或者上载到一个监控模块作进一步分析。一旦确定需要采集什么样的调试信息，以及如何采集以尽量减少干扰，那么必须决定如何从芯片向外发送数据-理想的情况是在应用程序还在运行时能够发送。

　　应该做的是缓冲器深度和上载频率之间的折衷。你调试数据缓冲器越小，上载数据的频率越高。频繁上载将对系统性能产生持续的影响。如果有一个大的存储器池用于缓存调试数据，那么采集数据对系统性能的影响就会较小。然而，更大缓冲器则需要更多的目标存储器，在器件运行期间上载数据对系统性能的影响将更显着。

　　当采集比芯片上能实时提供的还多的数据时，将不可避免地在获取的数据中引入空隙。在这些情况中，有必要周期性地插入足够的关联信息，以确保数据在最终从片上捕获后能被成功解码。对数据打包或者引入周期性的“同步点”是在数据流中提供这种额外信息的两种方法。可以作为数据上载过程的一部分来完成这个工作，这样冗余的信息就不必存储在片上。

　　如果在一个SoC中多个CPU内核共同工作，常常需要并行地对每个内核上载获取的信息，以便体现一个系统的完整情况。如果多个上载路径不可用，要么在上载之前将来自多个内核的数据结合起来放到一个缓冲器中，要么将它们按照某种方式复用起来以共享上载路径。同样的，在决定处理这些问题的最佳方法时，需要考虑系统的动态特性和数据的相对重要性。如果有很多相对不重要的数据来自其中的一个内核，而另外一个内核偶尔会发送一些重要信息，你需要采用一种方法确保重要的信息能优先于非重要的信息。

　　可视化及分析

　　可视化技术最早运用于计算科学中，并形成了可视化技术的一个重要分支——科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing）。科学计算可视化能够把科学数据，包括测量获得的数值、图像或是计算中涉及、产生的数字信息变为直观的、以图形图像信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量呈现在研究者面前，使他们能够观察、模拟和计算

　　将从SoC器件中产生的原始信息转换成一种易于理解的格式对SoC本身提出了许多挑战。能采集到的数据种类、用于采集这些数据需要的特定硬件机制以及各类不同的应用，用户需要解决所有这些特殊的问题，这通常是克服这些挑战所需的灵活性的最佳方法。使用一种模块化的框架使其很容易将来自不同的数据流的数据进行关联，针对特定类型的信息分析关联的数据，并以一种易于理解的形式显示这些从数据中得到的信息。这里描述了这种框架应该提供的一些功能类型实例：

　　1. 关联数据点

　　在解决一个多处理器SoC中的瓶颈、竞争或负载均衡这类系统级问题时，可能需要从多个处理器和加速器采集数据。在这种情况下，重构系统行为需要将多个记录关联到一个时间线。在某些系统上，从其它内核来访问的方式利用时钟。如果公共时钟不可行，可以使用其他机制来周期性地同步多个内核的时间。其中的一个方法是使用中断来将一个同步时间戳通过共享存储器传递。

　　2. 分析基础架构

　　一种模块框架能够将常见的分析活动制作成模块，这些模块能用来实现很多不同的分析和可视化工具，例如，一种普通的可定制数据转换器和表格，可以很容易用于创建一种消息记录浏览器；来构造送往其它分析模块的数据；一种用来分析过去一段时间的高水位标志的模块能为特定应用的Dashboard、带宽利用率监测器等提供一些基本依据。

　　3. 可扩展性

　　这是指音箱是否支持多声道同时输入，是否有接无源环绕音箱的输出接口，是否有USB输入功能等。低音炮能外接环绕音箱的个数也是衡量扩展性能的标准之一。普通多媒体音箱的接口主要有模拟接口和USB接口两种，其它如光纤接口还有创新专用的数字接口等不是非常多见，因此不多作介绍。

　　尽管可以用一些普通组件来评估所采集的大量数据，但最好是能够构造定制组件来扩展工具的环境。

　　4. 可配置性

　　可视化工具对于从大的缓冲器上载中提取有意义的信息非常关键，开发者需要能配置工具来强调特殊的差异性和数据峰值以发现一般的行为和异常的行为。为了从目标对象上卸载数据处理，所用工具应该提供允许将智能特性构建到工具中的可编程基本功能，并减少需要采集的数据量。还应该提供足够的控制以确定在任何给定的时间，来规定应该采集什么样的数据。

　　看看现实

　　获得对实时SoC系统内部的可视性的挑战当然并不是微不足道的小事。采集到足够的信息来产生不需要校正的有意义的结果，需要一种系统级的方法。通过使用软件工具库，利用硬件辅助监测以及对数据如何从芯片上发送出来的管理，增加准确性、宽度、深度和采集数据的粒度，使得开发者能采集更多的可靠信息。新的灵活工具套件和软件开发策略将帮助开发者来应对测试和调试用于具有高精度和高置信度的实时应用的复杂SoC架构的挑战。