越來越多的嵌入式系統依賴使用實時操作系統 （RTOS） 來：滿足實時要求、縮短上市時間、簡化開發、增加代碼可移植性和簡化開發。盡管有很多好處，但 RTOS 也有其缺點，其中之一是可能引入不正確分配的任務優先級、堆棧溢出、饑餓、死鎖、優先級反轉和其他難以發現的錯誤。

在本文中，我們將研究專門設計用于幫助基于 RTOS 的應用程序開發人員發現其中一些難以捉摸的錯誤、識別問題并提供糾正措施的工具。這些工具很容易獲得，但嵌入式開發人員通常不知道。

什么是實時操作系統？

實時操作系統（也稱為 RTOS 或實時內核）是盡可能高效地管理 CPU（中央處理單元）時間的軟件。大多數內核都是用 C 語言編寫的，并且需要一小部分用匯編語言編寫的代碼才能使內核適應不同的 CPU 架構。當您使用 RTOS 內核設計應用程序（您的代碼）時，您只需將工作拆分為任務，每個任務負責一部分工作。任務（也稱為線程）是一個簡單的程序，它認為自己完全擁有 CPU。在單個 CPU 上，在任何給定時間只能執行一個任務。您的應用程序代碼還需要根據任務重要性以及每個任務的堆棧 （RAM） 為每個任務分配優先級。一般來說，添加低優先級任務不會影響系統對高優先級任務的響應。任務通常也實現為無限循環。內核負責任務的管理。這稱為多任務處理。多任務處理是在多個順序任務之間調度和切換 CPU 的過程。多任務處理提供了擁有多個 CPU 的錯覺，并最大限度地利用了 CPU，如下所示。多任務處理還有助于創建模塊化應用程序。使用實時內核，應用程序更易于設計和維護。多任務處理提供了擁有多個 CPU 的錯覺，并最大限度地利用了 CPU，如下所示。多任務處理還有助于創建模塊化應用程序。使用實時內核，應用程序更易于設計和維護。多任務處理提供了擁有多個 CPU 的錯覺，并最大限度地利用了 CPU，如下所示。多任務處理還有助于創建模塊化應用程序。使用實時內核，應用程序更易于設計和維護。

大多數商業 RTOS 都是搶占式的，這意味著內核始終運行最重要的可立即運行的任務。搶占式內核也是事件驅動的，這意味著任務被設計為等待事件發生才能執行。如果任務等待的事件沒有發生，內核運行其他任務。等待任務消耗零 CPU 時間。發送信號和等待事件是通過內核應用程序編程接口 （API） 調用完成的。內核允許您避免輪詢循環，這會浪費 CPU 的時間。以下是如何實現典型任務的示例：

內核為程序員提供了許多有用的服務，例如多任務處理、中斷管理、任務間通信和信令、資源管理、時間管理、內存分區管理等等。RTOS 可用于只有少量任務的簡單應用程序，但它是需要復雜且耗時的通信堆棧的應用程序的必備工具，例如 TCP/IP、USB（主機和/或設備） ）、CAN、藍牙、Zigbee 等。當應用程序需要文件系統來存儲和檢索數據以及產品配備某種圖形顯示（黑白、灰度或彩色）時，強烈建議使用 RTOS。

內置調試端口

ARM Cortex.-M 處理器配備了內置于每個芯片上的特殊且非常強大的調試硬件。CoreSight 提供非侵入式功能，允許工具在不停止 CPU 的情況下監視和控制實時系統，例如：

動態內存/外設訪問（讀取和寫入）

指令跟蹤（要求芯片還包括一個執行跟蹤宏單元，ETM）

數據追蹤

使用分析計數器進行分析

下圖顯示了 CoreSight 調試端口、CPU 和內存/外設之間關系的簡化框圖。

用于測試/調試實時系統的工具

下圖顯示了 CoreSight 如何連接到您的開發環境：

1 - 嵌入式開發人員經常使用集成開發環境 （IDE），其中包括代碼編輯器、編譯器、匯編器、鏈接器、調試器和可能的其他工具。

IDE 中內置的調試器只提供最基本的必需品：下載代碼、啟動/停止、設置斷點和其他一些簡單功能。一些調試器更進一步，允許您在目標運行時顯示和更改變量（也稱為 Live Watch），但功能僅限于數值。包含內置 RTOS 感知功能的調試器也很常見，但通常需要您暫停應用程序以檢查 RTOS 的狀態（對于調試實時系統不太實用）。

2 - 當您準備好調試應用程序時，通過 Debugger Probe（例如 Segger J-Link ）將代碼下載到目標。

3 - J-Link 連接到 CoreSight 調試端口，能夠啟動/停止 CPU、下載代碼、對板載 Flash 進行編程等。即使目標正在執行代碼，J-Link 也可以根據需要直接讀取和寫入內存。

4 - Micrium 的 μC/Probe是一個獨立的、與 CPU 供應商無關的、基于 Windows 的應用程序，可讀取工具鏈生成的 ELF 文件。ELF 文件包含下載到目標的代碼以及所有全局可訪問變量的名稱、它們的數據類型以及它們在目標內存中的物理內存位置。

5 - μC/Probe 允許用戶在運行時（即實時）顯示或更改連接的嵌入式目標上幾乎任何變量或內存位置（包括 I/O 端口）的值。用戶只需從儀表、數字指示器、表格、圖形、虛擬 LED、條形圖、滑塊、開關、按鈕和其他組件的庫中填充 μC/Probe 的圖形環境，并將其中的每一個與變量或內存位置相關聯嵌入式設備。μC/Probe 不需要您檢測目標代碼以在運行時顯示或更改變量。通過在 μC/Probe 的屏幕上添加虛擬滑塊或開關，您可以輕松更改運行系統的參數（例如濾波器系數和 PID 回路增益）或驅動設備和測試 I/O 端口。

6 - μC/Probe 向 J-Link 發送請求以讀取或寫入內存。

7 - J-Link 請求被轉換為 CoreSight 命令以獲取變量值并將其以圖形方式顯示在 μC/Probe 的屏幕上。

8 -另一個用于測試/調試實時嵌入式系統的非常有用的工具是 SEGGER 的 SystemView 。此工具通常與 RTOS 結合使用，并在時間線上顯示任務和 ISR 的執行配置文件，以便您可以查看每個任務執行所需的時間（最小/平均/最大），任務何時準備好運行，當每個任務實際開始執行時，當 ISR 執行時等等。SystemView 可以幫助您發現可能多年未被注意到的錯誤。但是，SystemView 要求您將代碼添加到記錄 RTOS 事件和 ISR 的目標（由 SEGGER 免費提供）。SystemView 還消耗少量 RAM 來緩沖這些事件。

9 - J-Link 允許多個進程同時訪問 CoreSight，因此您可以同時使用所有三個工具。

審核編輯：郭婷