CN109684186B - 一种非侵入式的网络化嵌入式系统评测装置及评测方法 - Google Patents
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Abstract
一种非侵入式的网络化嵌入式系统评测装置及评测方法，评测装置包括控制器、观察者与目标，控制器为PC电脑，观察者由嵌入式微型计算机、调试板、时钟同步装置以及逻辑分析仪组成，目标为具备标准串行调试接口的嵌入式网络传感器节点。控制器通过无线局域网/以太网控制观察者对目标进行调试以及追踪原始信息的收集，观察者将调试信息与追踪原始数据发送给控制器，控制器直接展示出调试信息并将追踪原始数据解码并展示。本发明的真实程度与可信性高、稳定高效，能够实现对设备执行的代码进行指令精度的追踪，为测试者提供详尽的分析数据，对于嵌入式系统的科学研究与实际应用价值显著。
Description
技术领域
本发明属于嵌入式系统评测领域，具体涉及一种非侵入式的网络化嵌入式系统评测装置及评测方法，基于硬件辅助追踪技术实现与操作系统及应用程序类别无关的系统状态评测。
背景技术
通常嵌入式网络传感器系统的节点部署环境较为恶劣，部署后的系统难以调试和修改，部署之前的测试显得尤为重要。传统调试方法在网络化调试时侵入性太强，影响系统运行。
以物联网和无线传感器网络为代表的嵌入式网络传感器系统设备具备射频通信能力，需要运行网络协议，也存在运行实时操作系统以及控制电机等的情况，这些情况决定了调试与评测时应尽量减少侵入性不过多干涉程序原本的执行，还要能降低调试所带来的额外开销，不能像传统的JTAG调试在停止与恢复之间切换。这要求评测装置具备非侵入式评测能力，同时能够记录下程序的运行过程，以供后续回放程序时进行分析。
在Cortex-M3/M4内核的调试模块中有一个数据观察点与追踪模块DWT(datawatchpoint and trace)以及两个独立的跟踪模块ITM(instrumentation tracemacrocell)与ETM(embedded trace macrocell)。其中DWT可以给ITM提供硬件跟踪信息(观察点、PC采样、数据地址采样以及中断)，也可以向ETM提供ETM触发信息；ITM可以实现高级别、低带宽的硬件跟踪与非侵入性的跟踪、类似串口printf的调试方式；而ETM则可以跟踪包括跳转信息在内的CPU所执行的每条指令。许多IoT与WSN微控制器含有这些调试模块，却缺乏广泛的应用。
目前，国外在非侵入式网络化嵌入式系统评测领域已经取得一些成果。传统嵌入式网络评测常使用仿真工具，采用仿真的方法对网络化嵌入式系统进行评测，无法获得真实环境中系统的运行状况。传统嵌入式网络评测也常使用收集节点串口输出状态信息的方式进行评测，给算力有限的网络节点带来沉重的负担，仍然无法获得真实运行状态下系统的运行状况。
Minerva是当前较为成熟的非侵入式网络化嵌入式系统评测解决方案，它面向无线传感器网络，包括目标、观察者与控制器三部分。JTAG作为标准测试协议，易于解析，而JTAG接口作为标准测试接口，在微控制器中普遍存在，观察者是Minerva的核心，它通过软件方式实现对目标的非侵入式调试，在不停止处理器运行的前提下，通过实时解析JTAG协议输出信息获取节点状态。Minerva的研发成功为非侵入式网络化嵌入式系统的评测提供了新的研究方向，尤其是使观察者的设计结构高效、简单、易于使用。Minerva还存在以下缺陷：(1)JTAG接口虽然是微控制的标准测试接口，但主要存在于管脚资源丰富的微控制器中，在低成本网络化嵌入式微控制器中，JTAG接口往往被省略。(2)仅通过分析JTAG接口的输出信息调获取节点的状态信息，信息的完整性受到JTAG速度的限制。(3)睡眠状态无法分析，微控制器在睡眠状态下将关闭调试接口以降低功耗，此时无法获得信息用以分析。
参考文献
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发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种非侵入式的网络化嵌入式系统评测装置及评测方法，独立于操作系统与应用程序之上，真实程度及可信性高、稳定高效，能够实现对设备执行的代码进行指令精度的追踪，为测试者提供详尽的分析数据。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：包括控制器、观察者与目标，控制器为PC电脑，观察者由嵌入式微型计算机、调试板、时钟同步装置以及逻辑分析仪组成，目标为具备标准串行调试接口的嵌入式网络传感器节点，不同的网络传感器节点之间能够进行组网通信；一个观察者测试一个目标，多个观察者在无线局域网或以太网下使用不同的IP地址进行区分，多个观察者通过各自的时钟同步装置完成授时，多个观察者与一个控制器组成的网络使用NTP协议进行时间同步；控制器与观察者之间通过无线局域网或以太网连接，观察者与目标之间连接调试板，观察者使用逻辑分析仪捕获目标的输出追踪原始信息；控制器通过无线局域网或以太网控制观察者对目标进行调试以及追踪原始信息的收集，观察者将调试信息与追踪原始数据发送给控制器，控制器直接展示出调试信息并将追踪原始数据解码得到追踪信息，使用分析脚本对追踪信息进行分析获取网络化嵌入式系统的运行状态。
嵌入式网络传感器节点采用ARM Cortex-M3/M4内核，嵌入式微型计算机采用莓派3B+，时钟同步装置采用NavSpark-GL，调试板采用FT2232HL，逻辑分析仪基于CY7C68013A。
在已经拥有目标运行工程代码时，所述的控制器能够对被测工程代码添加追踪代码并进行交叉编译，控制器与观察者之间以TCP/IP协议为基础，发送数据包进行通信，观察者连接目标进行代码的烧写与调试，被测目标全速执行代码时通过SWO口输出追踪原始数据。
目标输出的原始数据为串行格式，数位为8位，无校验，1位停止位，数据分别由目标内部的指令追踪宏单元与嵌入式追宏踪单元编码，通过目标内部的追踪端口接口单元发出。
在未拥有目标所运行的工程代码时，控制器能够发送指令给观察者，观察者加载事先编写的追踪寄存器配置，当目标全速运行时将通过SWO口输出追踪原始数据；观察者通过使用逻辑分析仪接收SWO口输出的原始追踪数据并存储，时钟同步装置保证不同观察者之间时钟一致，并为追踪数据添加时间戳标记发送给控制器，控制器使用开源逻辑分析仪解码软件解码追踪原始数据并呈献给测试人员，测试人员获知目标在某个时刻运行过工程代码某个文件的某行，目标的处理器经历过哪些状态，进而对目标进行软件追踪与非侵入性软件分析。
本发明非侵入式的网络化嵌入式系统评测方法，包括以下步骤：
步骤一、控制器对被测工程代码添加追踪信息并进行交叉编译，交叉编译结束后在控制器上运行控制器脚本，在观察者上运行观察者脚本，当两个脚本建立TCP/IP连接以后，控制器将工程代码打包成一个压缩包发送给所有的观察者，所有的观察者通过时钟同步装置来完成GPS授时与所有观察者的时间同步；
步骤二、观察者接收到工程代码压缩包后先将其解压缩，然后通过调试板连接目标，之后观察者加载被测工程的对象文件和辅助脚本，重启目标，将被测对象文件重新烧入目标，恢复目标的运行；确认网络化嵌入式系统中的各个被测目标节点均启动成功后进行下一步；
步骤三、控制器通过控制脚本发送远程调试信息、轮循内存与获取追踪数据请求给观察者；观察者接收到远程调试请求后通过辅助脚本，将使控制器在远端使用调试指令实时调试目标，并且实时获得返回信息；观察者接收到轮循内存请求后，将在目标板上，对控制器指定的内存区域进行轮循，并将返回值通过时钟同步装置添加时间戳信息后回传给控制器；观察者接收到获取追踪数据请求后，将使用逻辑分析仪捕获并存储目标的追踪原始数据输出，然后通过时钟同步装置为追踪原始数据添加时间戳，再将其发送给控制器；
步骤四，控制器发出获取追踪数据请求并获得原始追踪数据后，先进行追踪原始数据的解码获取追踪信息，然后使用分析脚本分析追踪信息获取网络化嵌入式系统的运行状态；
步骤五，远程重启观察者与目标，重复步骤一到步骤四，继续对目标进行测试。
辅助脚本采用GDB，使用逻辑分析仪通过SWO口捕获并存储由目标板的ITM和ETM追踪模块追踪到的原始数据。使用逻辑分析仪软件sigrok对原始的追踪数据进行解码。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
整个系统评测装置能够进行网络级远程调试，通过远程SWD，控制器能够执行与Minerva相似的任务，例如非侵入式节点状态追踪，全局断点，网络级分布式断言等。此外，可以通过控制器端脚本实现批量测试参数调优的自动化。能够将ITM与DWT组合在一起执行非侵入性软件分析，DWT与ITM支持硬件数据地址和指令地址观察点，能用于捕获调试人员关注的数据/外设在控制流中的顶点是否被命中。此外，ITM和DWT还支持中断事件跟踪、PC采样和各种性能计数器。这些特性可以用来分析软件的不同方面。ITM利用32个端口提供FIFO缓冲调试信息输出，这与基于串口的printf信息调试相比不会造成太多延迟。在微控制器运行期间，能够通过相关寄存器启用或禁用端口，这一特性可应用于对于时间敏感的场景。本发明的真实程度与可信性高、稳定高效，能够实现对设备执行的代码进行指令精度的追踪，为测试者提供详尽的分析数据，对于嵌入式系统的科学研究与实际应用价值显著。
附图说明
图1本发明评测装置的整体架构图；
图2本发明评测装置的整体结构示意图；
图3本发明评测方法的流程图；
图4本发明评测方法的执行时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1-2，本发明非侵入式的网络化嵌入式系统评测装置包括控制器、观察者与目标。控制器为PC电脑，观察者由嵌入式微型计算机(树莓派3B+)、调试板(FT2232HL)、时钟同步装置(NavSpark-GL)以及逻辑分析仪(基于CY7C68013A)组成，目标为具备标准串行调试接口的ARM Cortex-M3/M4内核嵌入式网络传感器节点。控制器通过无线局域网/以太网控制观察者对目标进行调试以及追踪原始信息的收集，观察者将调试信息与追踪原始数据发送给控制器，控制器直接展示出调试信息并将追踪原始数据解码并展示。
基于以上内容，从以下几个方面来介绍本发明的通信方式：
(1)控制器与观察者之间的通信；
测试人员通过控制器控制整个评测装置。
在已经拥有目标运行工程代码时，控制器对被测工程代码添加追踪代码(配置目标的ITM&DWT以及ETM)并进行交叉编译，然后通过无线局域网/以太网发送给观察者。
(2)观察者与目标之间的通信；
观察者在接收到控制器发送过来的整个工程文件后，观察者运行OpenOCD与GDB连接目标进行代码烧写与调试，被测目标全速执行代码时将通过SWO口输出追踪原始数据。
观察者通过使用逻辑分析仪收集SWO输出的原始追踪数据并存储，之后发送给控制器，控制器使用开源逻辑分析仪解码软件sigrok解码追踪原始数据并呈献给测试人员。
测试人员可获知目标运行过工程代码某个文件的某行，目标的处理器经历过哪些状态，进而对目标进行灵活的软件追踪与非侵入性软件分析。
嵌入式系统的性能测试：
以一次或多次实验的方式进行嵌入式系统性能的测试。
参见图3-4，本发明非侵入式的网络化嵌入式系统评测方法，包括以下步骤：
步骤1，控制器对被测工程代码添加追踪信息，并对其进行交叉编译，交叉编译结束后，在控制器上运行控制脚本，通过无线局域网/以太网连接观察者。在观察者上运行观察者脚本，当两个脚本建立TCP/IP连接以后，控制器将工程代码打包成一个压缩包发送给观察者；所有观察者使用时钟同步装置NavSpark-GL完成GPS授时与所有观察者的时间同步。
步骤2，观察者接收到工程代码压缩包后，先将其解压缩。然后运行openocd通过调试板FT2232HL连接目标。之后观察者运行GDB加载被测工程的对象文件和GDB辅助脚本，重启目标，将被测对象文件重新烧入目标，恢复目标的运行。
确认网络化嵌入式系统中的各个被测目标节点均启动成功后进行下一步。
步骤3，控制器通过控制脚本发送远程调试信息、轮循内存与获取追踪数据请求给观察者；观察者接收到远程调试请求后通过GDB辅助脚本，将使得控制器可以在远端使用调试指令实时调试目标，并且可以实时获得GDB的返回信息；观察者接收到轮循内存请求后，将在目标板上，对控制器指定的内存区域进行轮循，并将返回值通过时钟同步装置添加时间戳信息后回传给控制器；观察者接收到获取追踪数据请求后，将使用逻辑分析仪通过SWO口捕获并存储由目标板的ITM和ETM追踪模块追踪到的原始数据，然后将其发送给控制器。
步骤4，控制器发出获取追踪原始数据的请求并获得原始追踪数据，逻辑分析仪软件sigrok对原始的追踪数据解码，使用分析脚本分析追踪信息获取网络化嵌入式系统运行状态。
步骤5，远程重启观察者和目标，重复步骤1到5，继续对目标进行测试。
本发明的主要特点有以下几个方面：
(1)不对代码做过多修改，仅通过添加少量配置代码与功能代码，或使用OpenOCD加载配置脚本与运行过程中的寄存器操作。
(2)平台局限性小，本发明在Cortex-M3/M4内核下的任一网络化嵌入式平台均可正常使用，不局限于某一款或某几款具体的产品平台。
(3)侵入性低，对微控制器执行的影响小，本发明基于硬件辅助，用于分析的追踪数据来自CPU内部的ITM/DWT与ETM模块，速度快，数据完整而且影响小。
(4)可靠性高，标准接口与标准组件，时钟同步装置均保证了测试方法与装置的可靠性。
(5)成本低，使用树莓派3B+、CY7C68013A、NavSpark-GL以及FT2232HL等标准化组件，以不超过500元的价格针对大范围使用的Cortex-M3/M4内核构建低成本测试平台。
以下结合具体实施例对本发明的技术效果进行说明。
实施例
在嵌入式操作系统FreeRTOS下，以Cortex-M3内核的STM32F103VET6作开发板为被测平台，以程序的函数覆盖率为对象，测量本发明带来的功耗与时间开销用以证明本发明的有效性。FreeRTOS的任务0执行FFT与IFFT函数，任务1执行插入排序与冒泡排序函数。
实验结果证明，当程序运行起来后，本发明的函数覆盖率达到了90％。
采用本发明的评测装置及方法，使用Tektronix PA1000功率分析仪测量并记录被测平台的功率变化情况，多次测量取均值后得到被测平台功耗增加了6.4mW约1.54％。
观察者与控制器间的簇接口命令如下：
实验的功耗开销表如下：
运行本发明的网络化嵌入式系统评测方法，通过在程序内插入两组GPIO翻转，并使用RIGOL DS1022M示波器抓取GPIO获得任务0与任务1的运行周期，多次测量取均值后得到被测平台时间无变化，可认为没有带来时间开销。具体的时间开销表如下：
以上所述仅仅为本发明的较佳实施例，并非用以对本发明做任何形式上的限定，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神原则的条件下，本发明的技术方案还可以进行若干修改或简单替换，这些修改及替换也均会落入由所提交权利要求限定的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种非侵入式的网络化嵌入式系统评测装置，其特征在于：包括控制器、观察者与目标，控制器为PC电脑，观察者由嵌入式微型计算机、调试板、时钟同步装置以及逻辑分析仪组成，目标为具备标准串行调试接口的嵌入式网络传感器节点，不同的网络传感器节点之间能够进行组网通信；一个观察者测试一个目标，多个观察者在无线局域网或以太网下使用不同的IP地址进行区分，多个观察者通过各自的时钟同步装置完成授时，多个观察者与一个控制器组成的网络使用NTP协议进行时间同步；控制器与观察者之间通过无线局域网或以太网连接，观察者与目标之间连接调试板，观察者使用逻辑分析仪捕获目标的输出追踪原始信息；控制器通过无线局域网或以太网控制观察者对目标进行调试以及追踪原始信息的收集，观察者将调试信息与追踪原始数据发送给控制器，控制器直接展示出调试信息并将追踪原始数据解码得到追踪信息，使用分析脚本对追踪信息进行分析获取网络化嵌入式系统的运行状态；在已经拥有目标运行工程代码时，所述的控制器能够对被测工程代码添加追踪代码并进行交叉编译，控制器与观察者之间以TCP/IP协议为基础，发送数据包进行通信，观察者连接目标进行代码的烧写与调试，被测目标全速执行代码时通过SWO口输出追踪原始数据；在未拥有目标所运行的工程代码时，所述的控制器能够发送指令给观察者，观察者加载事先编写的追踪寄存器配置，当目标全速运行时将通过SWO口输出追踪原始数据；观察者通过使用逻辑分析仪接收SWO口输出的原始追踪数据并存储，时钟同步装置保证不同观察者之间时钟一致，并为追踪数据添加时间戳标记发送给控制器，控制器使用开源逻辑分析仪解码软件解码追踪原始数据并呈献给测试人员，测试人员获知目标在某个时刻运行过工程代码当中某个文件的某行，目标的处理器经历过哪些状态，进而对目标进行软件追踪与非侵入性软件分析。
2.根据权利要求1所述非侵入式的网络化嵌入式系统评测装置，其特征在于：所述的嵌入式网络传感器节点采用ARM Cortex-M3/M4内核，嵌入式微型计算机采用莓派3B+，时钟同步装置采用NavSpark-GL，调试板采用FT2232HL，逻辑分析仪基于CY7C68013A。
3.根据权利要求1所述非侵入式的网络化嵌入式系统评测装置，其特征在于：目标输出的原始数据为串行格式，数位为8位，无校验，1位停止位，数据分别由目标内部的指令追踪宏单元与嵌入式追宏踪单元编码，通过目标内部的追踪端口接口单元发出。
4.一种非侵入式的网络化嵌入式系统评测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、控制器对被测工程代码添加追踪信息并进行交叉编译，交叉编译结束后在控制器上运行控制器脚本，在观察者上运行观察者脚本，当两个脚本建立TCP/IP连接以后，控制器将工程代码打包成一个压缩包发送给所有的观察者，所有的观察者通过时钟同步装置来完成GPS授时与所有观察者的时间同步；
步骤二、观察者接收到工程代码压缩包后先将其解压缩，然后通过调试板连接目标，之后观察者加载被测工程的对象文件和辅助脚本，重启目标，将被测对象文件重新烧入目标，恢复目标的运行；确认网络化嵌入式系统中的各个被测目标节点均启动成功后进行下一步；
步骤三、控制器通过控制脚本发送远程调试信息、轮循内存与获取追踪数据请求给观察者；观察者接收到远程调试请求后通过辅助脚本，将使控制器在远端使用调试指令实时调试目标，并且实时获得返回信息；观察者接收到轮循内存请求后，将在目标板上，对控制器指定的内存区域进行轮循，并将返回值通过时钟同步装置添加时间戳信息后回传给控制器；观察者接收到获取追踪数据请求后，将使用逻辑分析仪捕获并存储目标的追踪原始数据输出，然后通过时钟同步装置为追踪原始数据添加时间戳，再将其发送给控制器；
步骤四，控制器发出获取追踪数据请求并获得原始追踪数据后，先进行追踪原始数据的解码获取追踪信息，然后使用分析脚本分析追踪信息获取网络化嵌入式系统的运行状态；
步骤五，远程重启观察者与目标，重复步骤一到步骤四，继续对目标进行测试。
5.根据权利要求4所述非侵入式的网络化嵌入式系统评测方法，其特征在于：步骤三使用逻辑分析仪通过SWO口捕获并存储由目标板的ITM和ETM追踪模块追踪到的原始数据。
6.根据权利要求4所述非侵入式的网络化嵌入式系统评测方法，其特征在于：辅助脚本采用GDB，步骤四使用逻辑分析仪软件sigrok对原始的追踪数据进行解码。
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Non-Patent Citations (1)
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