引言
隨著多核產品的日益普及，對跟蹤調試系統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(SoC)設計推出了高度可配置的跟蹤調試解決方案ARMCoreSightSoC，它滿足了軟件開發人員在SoC設計方面需要更高可視性的要求。在嵌入式應用系統復雜性越來越高的今天，跟蹤調試技術在整個系統開發過程中所占的比重也越來越大。因此，擁有高效、強大的跟蹤調試技術可以大大減少整個系統的開發時間，縮短產品面市時間，減輕系統開發的工作量。
在TD-LTE多模基帶平臺的開發中，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，多種系統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，故本項目采用ARM1176JZ內核。
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數據訪問，使數據共享、軟件移植更簡單，也有利于節省存儲器空間。
在多模芯片的開發中，本項目將跟蹤技術作為芯片軟件開發中的一個小模塊來處理，其系統結構如圖1所示。

當其他模塊有跟蹤信息打印時，其他模塊調用TRACE模塊提供的打印函數。TRACE模塊接收到打印信息后，通過設置打印參數來判斷是否需要把這些打印信息發送到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，當前任務被高優先級任務打斷造成數據丟失，申請一個16 KB的備份緩存用于存放高優先級任務跟蹤信息。若當前跟蹤源在進行寫人操作，高優先級任務調用跟蹤接口，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據，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，緩存機制內部采用svnsprintf函數將跟蹤信息寫入緩存，該函數可以滿足跟蹤源打印多個變量的值，通過遍歷參數列表，找出跟蹤源需要打印參數的類型和個數，這樣跟蹤源在打印動態臨時字符串時使用統一的跟蹤接口，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、主函數和子函數。PC端通過跟蹤控制工具發送相應的AT命令，在終端的內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。

2．3 傳輸控制機制
實時跟蹤系統通過串口在PC端和ARM子系統之間進行通信，采用DMA總線控制器進行跟蹤信息搬移。DMA是一種不經過ARM處理器的CPU，可直接從內存中存取數據的數據交換模式。在DMA模式下，CPU只需向DMA總線控制器下達指令，就可使其處理數據的傳送，接收數據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同步中斷發送跟蹤信息，每次以等長字節傳輸，將跟蹤信息搬移至串口發送寄存器中，再通過配置串口發送寄存器，將跟蹤信息發送至PC端解析顯示單元。

3 優化后跟蹤方案
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。當低優先級任務的跟蹤信息被高優先級任務跟蹤信息搶占時，內存中已經為低優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，采用memcpy函數直接將跟蹤信息寫入緩存中，并且采用固定參數的跟蹤接口，跟蹤源根據跟蹤信息的不同需求，調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；縱向的控制是系統中各個模塊的跟蹤信息的控制，當開發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執行效率表現在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，這樣避免了函數上下文切換的過程，減少了任務棧的切換，從而提高了執行效率。
②緩存管理方面，原始跟蹤方案采用嵌套緩存，高優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據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部摒棄了svnprintf函數，直接將跟蹤數據memcpy轉移到跟蹤緩存中。原始方案中，跟蹤數據的原始碼流通過svnprintf函數在ARM內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，省去了函數遍歷參數的過程(該過程消耗了ARM的執行時間)。從變參的跟蹤接口優化成定參跟蹤接口，這種方式大大地提高了ARM的執行效率。
對于兩種跟蹤方案的測試分析，采用調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用5次跟蹤接口打印字符串”ts_00_tra01_01tdynamicTrace01”及相應個數的變量的值，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，同樣調用5次新跟蹤方案，跟蹤接口打印同樣字符串的內容及相應個數的變量的值，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的執行效率有很大的提高。

結語
在多模基帶的跟蹤方案中，由于跟蹤的傳輸通道只有一個，不能在不同的系統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子系統中的執行效率也有所要求，不能影響TD-LTE的高速率的業務需求。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子系統的執行效率要求和數據業務的速率要求。