加速調(diào)試嵌入式軟件的五個(gè)技巧

調(diào)試嵌入式軟件是我最不喜歡的行為，不幸地是，它卻是必要的。值得慶幸地是，技術(shù)和工具鏈創(chuàng)新的進(jìn)步衍生出大量的新技術(shù)，從而大大地加快了調(diào)試過程。下面讓我們來看看其中一些方法，從傳統(tǒng)的斷點(diǎn)調(diào)試出發(fā)到更先進(jìn)的儀器跟蹤技術(shù)。

技巧1# - 傳統(tǒng)的斷點(diǎn)調(diào)試

每個(gè)開發(fā)人員都熟悉傳統(tǒng)的調(diào)試技術(shù)，設(shè)置斷點(diǎn)、執(zhí)行代碼，然后單步調(diào)試代碼進(jìn)行監(jiān)視，同時(shí)監(jiān)視寄存器和變量值。斷點(diǎn)調(diào)試是我看到的使用最多的技術(shù)。然而，結(jié)果卻不甚樂觀，因?yàn)閿帱c(diǎn)調(diào)試的效率較低，通常會產(chǎn)生次優(yōu)的結(jié)果。

既然如此，為什么大家還如此頻繁地使用斷點(diǎn)調(diào)試呢?主要原因似乎是斷點(diǎn)調(diào)試便于使用，易于理解，并且開發(fā)人員都樂觀地認(rèn)為，對于工作而言，斷點(diǎn)是正確的工具。這種樂觀需要校驗(yàn)。斷點(diǎn)有可能破壞系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，同時(shí)會將開發(fā)者吸進(jìn)一個(gè)黑洞，使其無休止地去單步執(zhí)行代碼，盲目地尋找問題的一種解決方法。

技巧2#- IDE值圖

如今，幾乎所有的現(xiàn)代調(diào)試器和IDE都允許開發(fā)者監(jiān)視存儲在內(nèi)存中的變量值。開發(fā)人員可以選擇內(nèi)存位置以及值刷新率，然后啟動調(diào)試會話。一些IDE自身就有能力監(jiān)視內(nèi)置到IDE的值，而另外一些IDE則需要依靠外部軟件。

值監(jiān)測非常有用，如果將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)與圖形化表示關(guān)聯(lián)到一起，其帶來的價(jià)值則更大。對實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)繪制值圖對于發(fā)現(xiàn)意想不到的變化和驗(yàn)證特定波形的生成極其有用。例如，一個(gè)三相無刷直流電機(jī)(BLDC motor)。開發(fā)人員如果想要監(jiān)測每個(gè)電機(jī)支架的電流和電壓，則需要驅(qū)動電機(jī)所形成的非常具體的波形。繪制每個(gè)電機(jī)支架電流和電壓能夠讓開發(fā)人員實(shí)時(shí)看到發(fā)生的事情。

技巧3#-從printf到SWO

在高端的ARM Cortex-M系列配件中，如M3/M4，它為開發(fā)人員提供了額外的調(diào)試能力，即串行線查看器(Serial Wire Viewer，SWV)。SWV還包括除串行線輸出(SWO)以外的標(biāo)準(zhǔn)串行線調(diào)試。SWO可以用來做很酷的東西，如程序檢索計(jì)數(shù)器，事件計(jì)數(shù)器，及數(shù)據(jù)追蹤等。開發(fā)者還可以對它們進(jìn)行自定義，設(shè)置自己想要在SWO中傳送的信息。

許多開發(fā)者為了從他們的嵌入式系統(tǒng)中獲取調(diào)試信息通常會設(shè)置printf。實(shí)際上則并不是在單片機(jī)中使用串口引腳，而是開發(fā)人員可以使用SWO通過調(diào)試器重新路由printf信息。以這種方式使用調(diào)試器可以保存專用串行接口的需要，同時(shí)消除了開發(fā)UART和USB設(shè)備的時(shí)間，效率更高。現(xiàn)在通過SWO和調(diào)試硬件將最初被應(yīng)用程序所使用的開銷卸去，縮減了那些有可能被應(yīng)用程序代碼使用的寶貴的時(shí)鐘周期。

技巧4#-RTOS跟蹤

試圖透過表像看清一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中(RTOS)的本質(zhì)可以說是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。開發(fā)者并不想擾亂實(shí)時(shí)系統(tǒng)的性能，但仍然需要一些方法來了解系統(tǒng)的行為。這也是Blinky LED經(jīng)常使用的把戲，但最近開發(fā)者的工具箱中增加了更多驚人的跟蹤工具。例如免費(fèi)的商用RTOS工具，如TraceX、SystemView和tracealyzer等等。

當(dāng)RTOS閑置，或是有任務(wù)進(jìn)入和退出時(shí)，跟蹤工具允許開發(fā)者進(jìn)行追蹤分析。開發(fā)人員可以監(jiān)控系統(tǒng)的異常，響應(yīng)時(shí)間，執(zhí)行時(shí)間，以及正確開發(fā)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)所需的許多其他關(guān)鍵細(xì)節(jié)。RTOS跟蹤工具最酷的功能是它們能夠展示系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生了什么。實(shí)時(shí)地或是在日志文件中進(jìn)行審查和時(shí)序圖監(jiān)視，能夠讓開發(fā)者確定一個(gè)置信水平，用以估量系統(tǒng)是否能夠按預(yù)期正常運(yùn)行，或者幫助他們發(fā)現(xiàn)一些小問題，否則將花費(fèi)大量的時(shí)間去尋找。

技巧5 #- 使用指令追蹤技術(shù)(ETM / ETB / ETM)

有時(shí)開發(fā)人員面臨的調(diào)試問題，只是在處理器中所能想象到的最低層面的問題。跟蹤技術(shù)的存在，可以監(jiān)視處理器執(zhí)行的單個(gè)指令。在測試和驗(yàn)證軟件時(shí)這種低水平跟蹤對于監(jiān)測分支覆蓋非常有用。用于指令跟蹤的調(diào)試工具不同于那些開發(fā)人員使用的串行線查看，而且成本略高。

結(jié)束語

調(diào)試工具和技術(shù)在過去幾年里迅速發(fā)展，特別是高端微控制器。一般來講，工程師都是視覺型生物，工具供應(yīng)商正在尋找方法以刺激視覺的方式來揭示一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)究竟發(fā)生什么。配置調(diào)試工具可能需要做一些前期工作，但是在設(shè)計(jì)上多花一點(diǎn)時(shí)間可以換來更少的調(diào)試時(shí)間，確實(shí)是一筆非常值得的時(shí)間投資。開發(fā)人員至少應(yīng)該熟悉不同的調(diào)試工具和可用的功能，以便在出現(xiàn)問題，系統(tǒng)需要調(diào)試時(shí)，他們可以選擇合適的工具完成任務(wù)。你有用過其它可以幫助工程師更快、更有效率地調(diào)試他們系統(tǒng)的技術(shù)么?