為什么要寫一本有關(guān)實(shí)時(shí)系統(tǒng)調(diào)試的書？我很高興你能如此發(fā)問。有關(guān)實(shí)時(shí)系統(tǒng)或嵌入式系統(tǒng)調(diào)試已經(jīng)有不少文章，但是據(jù)我所知，這些文章中的內(nèi)容并沒有被集結(jié)成冊(cè)。
經(jīng)過多年的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)，我得出了這樣的結(jié)論：我們作為教師是失敗的。因?yàn)楸M管我們的學(xué)生能夠用匯編語(yǔ)言、C、C 、C#、某種特定Arduino語(yǔ)言或者Verilog編寫程序并能編譯編寫好的程序，但是在面對(duì)突發(fā)問題時(shí)這是不可避免的，學(xué)生們?nèi)匀粺o法分析問題、按照系統(tǒng)化方式鎖定問題原因以及查找和修正錯(cuò)誤之處。我希望在本書中解決這些問題。
我注意到了學(xué)生們使用所謂霰彈測(cè)試方式，這令我非常沮喪。該方式指一次性進(jìn)行大量修改，然后指望好事降臨。甚至更令人不安的是，學(xué)生們會(huì)放棄他們的代碼或者原型系統(tǒng)，全部從頭再來，祈禱這樣能解決問題，而不是試著發(fā)現(xiàn)和修復(fù)問題。
你可能會(huì)假設(shè)，當(dāng)今天的學(xué)生變身為明天的工程師并且全身心投入產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，他們就已經(jīng)具備以高效的方式進(jìn)行相關(guān)工作所必需的調(diào)試技術(shù)。我已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這個(gè)假設(shè)難以成真。
在成為大學(xué)教師之前，我在公司工作，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師構(gòu)建設(shè)計(jì)和調(diào)試工具。我主要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)邏輯分析儀、在線仿真器和性能分析工具。在許多情況下，我還要設(shè)計(jì)復(fù)雜的設(shè)備以解決復(fù)雜的問題。僅僅學(xué)習(xí)并熟練掌握這些設(shè)備中的一種就已經(jīng)很累了，許多工程師并不想為此花費(fèi)大量時(shí)間。
也許你也是這么想的。你是否分析過這種投入產(chǎn)出比：是先花時(shí)間瀏覽一大堆手冊(cè)再上手，還是直接上手并祈禱一切順利？我曾經(jīng)共事過的睿智的工程師John Hansen有過這樣的言論這被人們稱為漢森定律（Hansens Law）：
如果客戶不知道如何去使用一項(xiàng)功能，那么這個(gè)功能就是不存在的。
因此，作為這些復(fù)雜而昂貴的調(diào)試工具的供應(yīng)商，我們當(dāng)然應(yīng)負(fù)主要責(zé)任。我們無法有效地將技術(shù)轉(zhuǎn)移給用戶，讓用戶能夠充分利用工具的強(qiáng)大功能來解決問題。
這里再舉一個(gè)例子。我清楚地記得這個(gè)例子，因?yàn)樗�讓我以一種全新的方式來看待技術(shù)以及技術(shù)轉(zhuǎn)移。我們將在后文中繼續(xù)討論這個(gè)問題，但現(xiàn)在是介紹這個(gè)問題的好時(shí)機(jī)，這個(gè)問題與邏輯分析儀有關(guān)。多年來，邏輯分析儀已經(jīng)成為實(shí)時(shí)系統(tǒng)分析的主要工具。有證據(jù)表明，其主導(dǎo)地位可能正在改變，但現(xiàn)在，我們假設(shè)邏輯分析儀仍然占據(jù)著突出的位置。
假設(shè)你正在調(diào)試一個(gè)復(fù)雜的、具有多優(yōu)先級(jí)任務(wù)并發(fā)運(yùn)行的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，那么你就無法通過代碼讓處理器停止并執(zhí)行單步運(yùn)行。而許多優(yōu)秀的調(diào)試器都是任務(wù)感知的，因此它們可以在不阻止其他任務(wù)全速運(yùn)行的情況下，單獨(dú)執(zhí)行特定任務(wù)。
邏輯分析儀位于處理器（或者多個(gè)處理器）和系統(tǒng)的其他部分之間，并且實(shí)時(shí)記錄處理器輸出的每個(gè)地址位、數(shù)據(jù)位和狀態(tài)位的狀態(tài)，然后將其實(shí)時(shí)輸入到處理器。一旦緩存區(qū)或者記錄存儲(chǔ)器存滿，工程師之后就可以通過它進(jìn)行跟蹤，并觀察在感興趣的時(shí)間段內(nèi)到底發(fā)生了什么。
但是如何定義感興趣的時(shí)間段呢？你的存儲(chǔ)緩沖區(qū)并不是無限大的，并且1s內(nèi)處理器會(huì)完成數(shù)千萬個(gè)甚至數(shù)億個(gè)總線周期的運(yùn)行。這就是邏輯分析儀作為一種工具的高光時(shí)刻。用戶可以通過代碼定義一系列事件，這非常類似于有限狀態(tài)機(jī)中的一系列狀態(tài)。在一些邏輯分析儀中，這些狀態(tài)可以用工程師熟悉的高級(jí)C 代碼來定義。
如果用戶獲取到這一系列正確定義的狀態(tài)，邏輯分析儀將在代碼序列中恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間點(diǎn)觸發(fā)（捕捉）跟蹤，以顯示何處出錯(cuò)。這就是有趣之處。在20世紀(jì)90年代中期，HP（現(xiàn)在是Keysight）邏輯分析儀的跟蹤緩沖區(qū)相當(dāng)小，但狀態(tài)機(jī)非常復(fù)雜。當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)哲學(xué)就是用戶不需要大的跟蹤緩沖區(qū)，因?yàn)樗麄兛梢詼?zhǔn)確地定位問題。實(shí)際上，邏輯分析儀的狀態(tài)機(jī)有8級(jí)。這里有個(gè)使用示例，如圖1所示。
圖1　邏輯分析儀多級(jí)觸發(fā)系統(tǒng)示例
這個(gè)例子有3級(jí)，對(duì)于狀態(tài)定義或可能運(yùn)行的循環(huán)次數(shù)，每一級(jí)都有許多選項(xiàng)。我們發(fā)現(xiàn)，客戶很少嘗試設(shè)置超過2級(jí)的觸發(fā)條件。他們不喜歡這個(gè)產(chǎn)品的原因是它的跟蹤
緩沖區(qū)太小（5000個(gè)狀態(tài)）。他們更喜歡使用深內(nèi)存的簡(jiǎn)單觸發(fā)，而不是淺內(nèi)存的復(fù)雜觸發(fā)。這與我們每次進(jìn)行的客戶回訪是相當(dāng)一致的。
重點(diǎn)是什么？與我們交談的工程師們沒有使用邏輯分析儀強(qiáng)大的觸發(fā)能力，而是選擇了難度小的方式。他們寧愿手動(dòng)瀏覽冗長(zhǎng)的跟蹤列表以找到感興趣的事件，也不去學(xué)習(xí)如何設(shè)置復(fù)雜的觸發(fā)條件。換句話說，要權(quán)衡是使用一個(gè)復(fù)雜的工具，還是使用一個(gè)功能較弱但更容易使用的工具。
你可能會(huì)說工程師們很懶，但是我不這么認(rèn)為。我相信，如果我們工具設(shè)計(jì)師可以發(fā)明一種正在嘗試解決困難的調(diào)試問題的工程師與工具本身之間的更直觀、更友好的用戶接口，使工程師每次都能獲取解決方案，那么他的調(diào)試能力也會(huì)不斷提高。
為什么我要舉這個(gè)例子呢？我想在本書一開始就提到它，因?yàn)檎{(diào)試實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常非常困難，工程師需要使用復(fù)雜的工具，以便及時(shí)將高質(zhì)量的產(chǎn)品推向市場(chǎng)。如果本書有助于學(xué)習(xí)如何使用工具，或者能促使讀者更深入地研究用戶手冊(cè)，那么本書就達(dá)到了目的。
本書初的目標(biāo)讀者是學(xué)生，不僅是那些想要進(jìn)入嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的學(xué)生，而且是所有希望在設(shè)計(jì)調(diào)試中提高自己技能的電氣工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)或計(jì)算機(jī)工程的學(xué)生。他們可以在工作面試時(shí)隨意地提到，自己已經(jīng)付出了一些努力，不僅能做項(xiàng)目，還能夠?qū)崿F(xiàn)沒有缺陷的項(xiàng)目。此外，他們還可以向面試官表示，他們進(jìn)入就業(yè)市場(chǎng)時(shí)所擁有的技能比同期畢業(yè)生所擁有的要多。
對(duì)于已經(jīng)是從業(yè)者而且想磨煉技能的、有經(jīng)驗(yàn)的工程師而言，我希望本書會(huì)提供一個(gè)他們可能還不知道的工具與技術(shù)的路線圖，或者提供更有效的方法來解決突然出現(xiàn)在工作中的問題。
在研究和編寫本書的過程中，我發(fā)現(xiàn)對(duì)特定類別錯(cuò)誤而言，應(yīng)用筆記和白皮書是好的信息來源。我自己寫過很多這樣的文章，因此對(duì)這些信息的質(zhì)量很有信心。
如果你仔細(xì)想想，這是顯而易見的。隨著技術(shù)的進(jìn)步，公司會(huì)不斷地調(diào)查其客戶群以查找總是出現(xiàn)的設(shè)計(jì)和調(diào)試方面的問題。這些客戶的問題是創(chuàng)建工具的驅(qū)動(dòng)力，這些工具將解決問題或者至少能指出問題的根源。
一旦發(fā)明了這種工具，公司必須向客戶解釋它的潛在價(jià)值，所以會(huì)在會(huì)議上發(fā)表演講，在行業(yè)出版物上發(fā)表技術(shù)文章，推出與問題關(guān)聯(lián)的應(yīng)用筆記，以及問題、工具和解決方案相關(guān)的資源，以期得到工程師的認(rèn)可并通過他們向高層管理人員證明采購(gòu)的合理性。
這些文章雖然明顯是服務(wù)于發(fā)表文章的公司的，但依然是有價(jià)值的資源，它們能向工程師提供好的、的實(shí)用信息。對(duì)我來說，這些資源是本書的主要資料來源。
我們將從檢查調(diào)試問題本身著手。導(dǎo)致調(diào)試問題如此獨(dú)特的實(shí)時(shí)系統(tǒng)的本質(zhì)是什么？關(guān)于這個(gè)問題，你可能會(huì)說：實(shí)時(shí)性啊。但這只是問題的一部分。對(duì)大量的嵌入式系統(tǒng)而言，確定的硬件、可編程的硬件、固件、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件都可能是獨(dú)特的，或者至少大部分設(shè)計(jì)是獨(dú)特的。
甚至隨著產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步還算不上技術(shù)革命，就會(huì)有許多新元素必須被集成到整個(gè)設(shè)計(jì)中。因此，不僅僅是實(shí)時(shí)或者非實(shí)時(shí)的問題，還有系統(tǒng)中變量的數(shù)量，以及系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)運(yùn)行等問題。
在審視問題之后，我們會(huì)將注意力轉(zhuǎn)到如何調(diào)試硬件和軟件的整體策略上來。我們將著眼于實(shí)踐和通用策略。此外，考慮可測(cè)試性問題也很有用，因?yàn)檎{(diào)試那些沒有把調(diào)試作為首要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是一個(gè)挑戰(zhàn)。
從策略上，我們將把注意力轉(zhuǎn)向工具和技術(shù)。我們將著眼于一些基本問題，并尋求方法來解決。
接下來，我們將介紹芯片制造商提供片上調(diào)試和性能資源的形式，以幫助客戶將新設(shè)計(jì)推向市場(chǎng)。
本書的后一部分將涵蓋串行協(xié)議，以及如何調(diào)試它們。按照領(lǐng)域內(nèi)一些專家的觀點(diǎn)，越來越多的調(diào)試問題與串行數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)，與經(jīng)典調(diào)試技術(shù)相關(guān)的問題越來越少了。
我盡力讓本書通俗易懂，不那么學(xué)究氣。我將很多個(gè)人的逸事寫進(jìn)書中，因?yàn)樗鼈兛梢詭椭�表達(dá)觀點(diǎn)，并且讀起來很有趣，寫起來也很有趣。這個(gè)方法我是從Bob Pease的經(jīng)典著作Troubleshooting Analog Circuits[1]中學(xué)到的。許多高級(jí)工程師都知道Bob在Electronic Design Magazine上的專欄Whats all this…。
他的書和這些專欄都是經(jīng)典的資料，我在本書中也借用了他的談話風(fēng)格。順便說一下，我喜歡的Whats all this…專欄的內(nèi)容是他對(duì)那些正在使用的昂貴揚(yáng)聲器電纜的分析，證明它們與簡(jiǎn)單的電燈線相比更具音頻優(yōu)勢(shì)。Bob的分析很嚴(yán)格，同時(shí)具有閱讀的樂趣和教育性。更重要的是，他很好地讓音頻優(yōu)越性跌至谷底。
另外，我并沒有嚴(yán)格地將主題材料限定到該主題相關(guān)章節(jié)中。你會(huì)發(fā)現(xiàn)一些例子可能會(huì)出現(xiàn)在不同的章節(jié)。這是特意構(gòu)思的，而不是我短暫失憶所致。這個(gè)做法來自教學(xué)實(shí)踐。我經(jīng)常反復(fù)回顧材料，以便把它放在不同的章節(jié)內(nèi)容中，而不是簡(jiǎn)單地講講就過去了。因此，如果在關(guān)于常見軟件缺陷的章節(jié)中，你看到關(guān)于常見的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）錯(cuò)誤的討論，然后發(fā)現(xiàn)它在調(diào)試實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的章節(jié)中再次出現(xiàn)，不要說我沒有警告過你。