SE517917C2 - Integrerad krets för övervakning av händelser i datorsystem - Google Patents

Description

:vara :rnan 10 15 20 25 30 35 517 917 bort de extra instruktionerna, kan nya fel uppstå på grund av att timingen ändras.

Det är särskilt viktigt i ett realtidsoperativsystem att timingen inte påverkas av övervakningen. Realtidssystem är till skillnad från de flesta andra system oerhört känsliga för störningar i timingen.

Betecknande för ett realtidsoperativsystem är att det är determi- nistiskt, vilket innebär att det alltid ska vara förutsägbart. Såle- des får inte övervakningen av ett realtidssystem förändra timing- en eller ordningen hos händelser i systemet.

Ett annan känd metod för att övervaka ett datorsystem är att an- vända en övervakningsanordning implementerad i hårdvara. En sådan övervakningsanordning innefattar sonder som ansluts till datorsystemet bussar och signaler. Övervakningsanordningen detekterar passivt vad som händer på bussen och samlar in in- formation om händelser som kan vara intressanta. Fördelen med att övervakningen sker med hjälp av hårdvara är att den inte in- terfererar med systemet som den övervakar. Ett problem med att använda en separat övervakningsanordning är att i vissa moder- na datorsystem är många funktioner integrerade fysiskt på sam- ma krets i samma kapsling. Det kan därför vara omöjligt att komma åt alla signaler som behövs för att erhålla en bra över- vakning. Kapslingen hos en integrerad krets bör helst inte vara för stor och har därmed ett begränsat antal pinnar. För att få ut alla signaler som är nödvändiga för övervakningen måste antalet pinnar ökas avsevärt och därmed måste kapslingens storlek ökas och det är inte önskvärt.

För att öka prestanda i ett datorsystem är det känt att imple- mentera hela eller åtminstone en del av operativsystemet i hård- vara i en extern enhet utanför processorn. Hög prestanda är sär- skilt viktigt i tillämpningar som utförs i realtid, såsom exempelvis i processtyrningsapplikationer. Ett hårdvaruoperativsystem har en realtidskärna som är anordnad på en integrerad krets som är fysiskt skild från processorn och realtidskärnan kommunicerar med processorn via en bussledning. Ett sådant datorsystem är .rann :arna 10 15 20 25 30 35 517 917 olämpligt att övervaka med mjukvara, eftersom timingen i syste- met kan påverkas. En övervakningsanordning kan visserligen an- slutas till bussen mellan processorn och hårdvaruoperativsyste- met men den information som finns att tillgå på bussen är inte tillräcklig för att kunna göra en tillförlitlig övervakning av syste- met eller för att hitta fel i programkoden.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att tillhandahålla en integrerad krets som innefattar ett hårdvaruoperativsystem eller åtminstone en del av ett operativsystem som är implementerat i hårdvara och som möjliggör en tillförlitlig övervakning av händelser i datorsys- temet.

Detta ändamål uppnås med den inledningsvis angivna integrera- de kretsen som kännetecknas av att den vidare innefattar en en- het för att övervaka händelser i nämnda datorsystem, varvid övervakningsenheten har medel för att detektera händelser i da- torsystemet och medel för att spela in information om händelser- na, och att övervakningsenheten är ansluten till nämnda opera- tivsystemdel på så sätt att information om interna händelser i operativsystemdelen är överföringsbara till övervakningsenheten.

Genom att anordna en övervakningsenhet på samma integrerade krets som hårdvaruoperativsystemdelen och ansluta dessa till varandra kan nödvändig information för övervakningen, exempel- vis information om interna händelser i operativsystemdelen, över- föras till övervakningsenheten. Sådan intern information finns inte att tillgå på bussen mellan processorn och operativsystem- delen. informationen om interna händelser är normalt oåtkomlig eller så känslig för störningar, såsom kapacitanser i ledningar, att den inte är mätbar. Övervakningsenheten ligger passiv och lyssnar av vad som händer i operativsystemet utan att påverka systemet och dess timing. När övervakningsenheten har detekte- rat en intressant händelse, spelar den in information om händel- sen. Denna information kan sedan analyseras exempelvis i syfte att hitta fel i systemet. Eftersom övervakningsenheten är konstru- »~:|| aint. 10 15 20 25 30 35 517 917 erad i hårdvara, finns det inget hinder för att även använda den för övervakning av godtyckliga fysiska signaler i systemet.

I en föredragen utföringsform av uppfinningen är nämnda opera- tivsystem ett realtidsoperativsystem och nämnda operativsystem- del är en realtidskärna. Uppfinningen är särskilt fördelaktig om operativsystemet är ett realtidsoperativsystem, eftersom timingen i systemet inte påverkas av övervakningen enligt uppfinningen. l en utföringsform av uppfinningen innefattar operativsystemde- len organ för att administrera när ett antal deljobb ska exekveras av processorn och nämnda information innefattar information om aktuella tillstånd för deljobben. Detta är relevant information och kännedom om denna bidrar till en förbättrad övervakning av sys- temet. Denna information är svår att komma åt utanför den integ- rerade kretsen, men det faktum att övervakningsenheten och hårdvaruoperativsystemdelen är anordnade på samma integrera- de krets möjliggör att denna information på ett enkelt sätt kan överföras till övervakningsenheten.

I en utföringsform av uppfinningen kommunicerar operativsystem- delen med en eller flera processorer via en buss och övervak- ningsenheten innefattar organ för att från nämnda buss ta emot information från processorn/processorerna. Genom att över- vakningsenheten är ansluten till bussen kan en processor adres- sera övervakningsenheten och föra över information om vad som händer i processorn till övervakningsenheten. Mjukvaran förses med programinstruktioner som överför information via bussen till övervakningsenheten. Övervakningen av programvaran kan såle- des dels göras på händelser i operativsystemdelen och dels på godtycklig information som mjukvaran själv genererar. På så sätt erhålls en kombination av hårdvaru- och mjukvaruövervakning.

Detta innebär att övervakningen ytterligare förbättras, eftersom informationen om interna händelser i operativsystemet komplette- ras med information om händelser i mjukvaran. Eftersom det mesta av övervakningen sker i hårdvaran så behövs bara ett fåtal extra instruktioner i mjukvarukoden och därmed blir inte belast- »fiuuu a>;.. 10 15 20 25 30 35 517 917 ningen på systemet lika stor som när all övervakning sker i mjuk- varan. Tack vare att belastningen på systemet blir liten så behö- ver inte de extra instruktionerna tas bort när övervakningen är klar och på så sätt undvikes problem med timing.

All information om händelser i processorn finns inte tillgänglig på bussen. I en utföringsform av uppfinningen innefattar den integ- rerade kretsen åtminstone en processor, vilken är ansluten till övervakningsenheten på så sätt att information om interna hän- delser i processorn är överföringsbara till övervakningsenheten.

Genom att integrera en eller flera processorer i datorsystemet pà samma krets som operativsystemdelen och övervakningsenheten är det möjligt att överföra information om interna händelser i pro- cessorn till övervakningsenheten. På så sätt kan övervakningen ytterligare förbättras. l en utföringsform av uppfinningen innefattar den integrerade kretsen organ för att överföra den lagrade informationen till en extern enhet för vidare analys av informationen. Den externa en- heten kan exempelvis vara en dator. De inspelade och lagrade händelserna sänds via en kommunikationslänk till den externa enheten, där de lagras i en databas. Den insamlade informatio- nen kan sedan exempelvis användas för händelsebaserad de- bugging, analys av systemets uppförande och statistik.

FIGURBESKRIVNING Föreliggande uppfinning ska nu förklaras med hjälp av olika så- som exempel beskrivna utföringsformer och med hänvisning till de bifogade ritningarna.

Figur 1 visar ett blockschema för ett datorsystem med en inte- grerad krets enligt en utföringsform av uppfinningen.

Figur 2 visar ett blockschema för en övervakningsenhet anord- nad på den integrerade kretsen i figur 1. ;1ø:| ||--1 10 15 20 25 30 35 517 917 6 Figur 3 visar formatet för ett händelsepaket.

Figur 4 visar en annan utföringsform av en integrerad krets en- ligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Ett dataprogram är strukturerat i olika deljobb. Ett deljobb är ett sekventiellt program och utför en bestämd uppgift. l ett realtids- operativsystem prioriteras deljobben inbördes och om två deljobb ska exekveras samtidigt av processorn, utförs det deljobb som har högst prioritet. Det organ som administrerar när ett visst deljobb ska exekveras av processorn benämns en-schemalägga- re och utgör kärnan i ett realtidsoperativsystem. l figur 1 visas ett datorsystem innefattande en integrerad krets 1 enligt uppfinningen och tre processorer 2 anordnade parallellt med varandra. Processorerna 2 och den integrerade kretsen 1 är anslutna till varandra via en systembuss 3. Datorsystemet har ett realtidsoperativsystem vilket innefattar en realtidskärna 4 som är implementerad i hårdvara (RTK= Real Time Kernel) på den integ- rerade kretsen 1. Realtidskärnan 4 är anordnad att i huvudsak utföra samma funktioner som traditionella realtidsoperativsystem som är implementerade i mjukvara, exempelvis hantering, sche- maläggning och prioritering av deljobb, kommunikation och syn- kronisering mellan deljobben och avbrottshantering. Mer om hur ett realtidsoperativsystem är uppbyggt finns att läsa i boken "Utilization of hardware Parallelism in Realizing Real-Time Ker- nels" av Lennart Lind, ISBN 0280-4506.

Den integrerade kretsen innefattar vidare en övervakningsenhet 5 som är ansluten till realtidskärnan 4. Övervakningsenheten har till uppgift att detektera och spela in händelser i datorsystemet.

Händelser i operativsystemet kan exempelvis innebära: - systemanrop till operativsystemet, såsom skapa deljobb, ta bort deljobb, sända meddelande, ta emot meddelande, .l-t» :ip-u 10 15 20 25 30 35 517 917 - att tillståndet för ett deljobb ändras, såsom att ett deljobb för- sätts i blockerat tillstånd eller låses upp från en blockering, - avbrottsförfrågan från externa enheter.

För att övervaka händelser i operativsystemet är övervaknings- enheten 5 kopplad direkt i hårdvaran till ett antal utvalda signaler i realtidskärnan 4. Kopplingen är realiserad som en eller flera fy- siska ledningar 9 från interna signaler i realtidskärnan 4 till över- vakningsenheten 5. På så sätt är det möjligt att få tillgång till vär- defull information om vad som händer i operativsystemet. Dessa interna signaler innehåller bland annat information om tillståndet för deljobben i systemet, deljobbens prioritet, inre kommunika- tionsaktiviteter samt interna och externa avbrott.

I vissa fall finns det ett behov av att kunna generera händelser från mjukvaran, exempelvis för att kunna se om man passerat vissa kontrollpunkter eller rapportera innehållet i ett visst minne.

Sådana händelser kan produceras genom att mjukvaruinstruktio- ner införs i programkoden. Övervakningsenheten kan även an- vändas för att spela in generell information som genereras direkt ur mjukvaran, d.v.s. information som kommer direkt från exekve- ringen av mjukvaran på en eller flera av processorerna 2 i sys- temet. För att kunna övervaka händelser i mjukvaran och ta emot information från mjukvaran är övervakningsenheten 5 ansluten till systembussen 3. Mjukvaran genererar informationen genom att, via systembussen, skriva data till ett särskilt register i övervak- ningsenheten 5.

Det är också möjligt att ansluta övervakningsenheten till en god- tycklig signal eller hàrdvaruenhet på den integrerade kretsen för övervakning av signalen eller hårdvaruenheten. Exempel på så- dana hårdvaruenheter är bussar och interna minnen. Detta inne- bär att övervakningsenheten även kan fungera som en vanlig lo- gikanalysator. Således kan övervakningsenheten 5 dessutom an- vändas för att hitta funktionella fel i hårdvaran. Detta är särskilt värdefullt i situationer, där konventionella felsökningsmetoder är problematiska att använda, exempelvis på grund av höga system- hastigheter eller att signalerna är svåra att komma åt på grund uaii: |»»|| 10 15 20 25 30 35 517 917 av att den integrerade kretsen har ett begränsat antal pinnar. En hårdvaruenhet 6 på den integrerade kretsen 1 är kopplad via fy- siska ledningar 10 till övervakningsenheten 5. Övervakningsenheten 5 är vidare ansluten via en parallell kom- munikationslänk 7 till en extern dator 8. Övervakningsenheten 5 lyssnar passivt på händelser, logiska och/eller på systemnivå, i realtidskärnan 4 och intressanta händelser spelas in. De inspela- de händelserna överförs sedan till en databas i den externa da- torn där vidare bearbetning och analys av informationen sker.

Den integrerade kretsen kan antingen implementeras i ASlC (Ap- plication Specific Integrated Circut) eller i en programmerbar hårdvara såsom FPGA (Field Programmable Gate Array). Alla komponenterna integreras på samma platta som företrädesvis är av kisel.

Figur 2 visar ett blockschema över övervakningsenhetens 1 in- terna uppbyggnad. Övervakningsenheten innefattar en händelse- detektor 11, en timer 12, en händelseinspelare 13, en händelse- buffert 14 och ett gränssnitt 15 mot den externa datorn. lnsigna- ler till övervakningsenheten är dels hàrdkopplade signaler 9 från realtidskärnan, signaler på systembussen 3 och signaler 10 från hårdvaruenheten 6. lnsignalerna tas emot av händelsedetektorn 11 som detekterar om det har inträffat någon händelse som ska spelas in. Händelsedetektorn 11 är en komparator som jämför lnsignalerna med internt förutbestämda villkor. Det finns ett antal villkor som definierar vilka händelser som ska övervakas och dessa villkor är hàrdkodade i händelsedetektorn. Händelsede- tektorn detekterar om en händelse har inträffat genom att jämföra insignalerna med de förutbestämda villkoren.

Händelsedetektorn 11 innefattar tre olika detektorer 16-18 med olika förutbestämda villkor. Den första detektorn 16 tar emot de interna signalerna 9 från realtidskärnan och detekterar händelser i operativsystemet. Den andra detektorn 17 innefattar ett register som tar emot information från mjukvaran via bussen 3 och de- annan nal-u 10 15 20 25 30 35 517 917 tekterar när information skrivs till registret. Den tredje detektorn 18 tar emot signalerna 10 från övriga hàrdvaruenheter och de- tekterar händelser i hårdvaruenheterna.

När något av villkoren är uppfyllt, d.v.s. en händelse har detekte- rats, rapporteras händelsen vidare till händelseinspelaren 13.

Händelseinspelaren har till uppgift att göra ett paket med infor- mation om händelsen som sedan kan överföras via gränssnittet 15 till den externa datorn. Händelseinspelaren 11 aktiveras av en eller flera startsignaler från händelsedetektorn och mottager samtidigt ett identifikationsnummer från händelsedetektorn. Iden- tifikationsnumret ger information till händelseinspelaren om vilka signaler som ska paketeras tillsammans med den detekterade händelsen. När händelseinspelaren aktiveras, skapar den ett in- formationspaket innefattande händelsens identifikationsnummer, signaler förknippade med händelsen och den aktuella tiden när händelsen detekterades. Händelsepaketet ska ha ett visst förut- bestämt format. Tiden avläses från timern 12 som är ansluten till händelseinspelaren 13.

Händelsepaketet lagras sedan i den interna händelsebufferten 14. Denna buffert är organiserad som en FIFO-kö, d.v.s. de äldsta paketen kommer ut först ur kön och det nyaste paketet kommer ut sist (FlFO=First ln First Out). Samtidigt som händel- sepaketen lagras i händelsebufferten lagras en indikation pà att en händelse har detekterats i ett statusregister (ejåvisat). Gräns- snittet 15 överför paketen till den externa datorn. Via gränssnittet kan den externa datorn få en indikation på att en händelse har inträffat och läsa ut händelsepaketet ur händelsebufferten 14. indikation på om en händelse har detekterats kan antingen fås genom att man läser ut informationen i statusregistret eller att man programmerar gränssnittet så att det automatiskt avger en signal när nya händelser finns tillgängliga i händelsebufferten.

Storleken på händelsebufferten kan varieras och är applikations- beroende. 1:11» |».>n 10 15 20 25 30 35 517 917 10 Ibland kan det hända att man inte vill överföra alla detekterade händelser till den externa datorn. Till exempel om antalet hän- delser är stort. l händelsedetektorn 11 finns ett filter 19 i form av ett programmerbart register. Filtret 19 gör det möjligt att välja ut vilka händelser som man är intresserad av och bara släppa ige- nom dessa. Filtret 19 är kopplat till gränssnittet 15 och det är möjligt att från den externa datorn skicka instruktioner till filtret om vilka händelser som ska släppa igenom filtret.

Figur 3 visar ett exempel på hur ett paket med information om en händelse kan se ut. Händelsepaketet innefattar tre olika informa- tionsfält, ett första fält 20 som innehåller händelsens identifika- tionsnummer, d.v.s. information om vilken typ av händelse det är fråga om, ett andra fält 21 som innehåller tiden och ett tredje fält 22 som innehåller mer information om händelsen i form av ett flertal parametrar. Ett exempel på en händelse är när processorn byter och börjar exekvera ett nytt deljobb. Parametrar som finns i det tredje fältet bör då innehålla information om id-numret på det nya deljobbet som ska exekveras och vilken av processorerna som ska exekvera deljobbet. För händelsen ”skicka meddelande” bör parametrarna innehålla id-nummer för det mottagande del- jobbet och en pekare till meddelandet.

Figur 4 visar en utföringsform av uppfinningen där en integrerad krets 29 innefattar en processor 30, en realtidskärna 4 hos ett operativsystem, en övervakningsenhet 5 och diverse övrig hård- vara 6. Datorsystemet i denna utföringsform har bara en proces- sor och denna är integrerad på samma krets som realtidskärnan 4 och övervakningsenheten 5. För ett datorsystem som innehåller flera processorer kan givetvis alla processorerna integreras på samma krets. Övervakningsenheten 5 är hårdkopplad till ett antal interna signaler i processorn 30. På så sätt får övervakningsen- heten tillgång till intern information om händelser som inte syns på systembussen. Exempel på sådana signaler är signaler till och från Cash-minnen i processorn. På samma sätt som i det fö- regående utföringsexemplet är övervakningsenheten 5 kopplad 517 917 11 till interna signaler i realtidskärnan 4 och till andra hårdvarufunk- tioner 6 på kretsen.

Uppfinningen är inte begränsad till de visade utföringsformerna 5 utan kan varieras och modifieras inom ramen för de efterföljande kraven. ;»~>:

Claims (7)

»iaun iiiin 10 15 20 25 30 35 517 917 12 PATENTKRAV

1. En integrerad krets (1) för ett datorsystem, där datorsyste- met innefattar åtminstone en processor (2, 30) och ett operativ- system, vilket åtminstone har en del (4) som är implementerad i hårdvara, varvid nämnda operativsystemdel (4) är anordnad på den integrerade kretsen (1), kännetecknad av att den integrerade , kretsen (1) vidare innefattar en enhet (5) för att övervaka hän- delser i nämnda datorsystem, varvid övervakningsenheten (5) har medel (11) för att detektera händelser i datorsystemet och medel (13) för att spela in information om händelserna, och att över- vakningsenheten (5) är ansluten till nämnda operativsystemdel (4) på så sätt att information om interna händelser i operativsys- temdelen är överföringsbara till övervakningsenheten.

2. En integrerad krets enligt krav 1, kännetecknad av att nämnda operativsystem (4) är ett realtidsoperativsystem och att nämnda operativsystemdel är en realtidskärna.

3. En integrerad krets enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att operativsystemdelen (4) innefattar organ för att administrera när ett antal deljobb ska exekveras av processorn och att nämn- da information innefattar information om aktuella tillstånd för deflobben.

4. En integrerad krets enligt något av kraven 1-3, känneteck- nad av att nämnda operativsystemdel (4) kommunicerar med åt- minstone en processor (2, 30) via en buss (3) och att övervak- ningsenheten (5) innefattar organ (17) för att från bussen ta emot information om händelser i processorn.

5. En integrerad krets enligt något av tidigare krav, känneteck- nad av att den innefattar åtminstone en processor (30), vilken är ansluten till övervakningsenheten (5) på så sätt att information om interna händelser i processorn är överföringsbara till över- vakningsenheten. 517 917 13

6. En integrerad krets enligt något av tidigare krav, känne- tecknad av att den innefattar organ (15) för att överföra den in- spelade informationen till en extern enhet (8) för vidare analys av informationen.

7. En integrerad krets enligt något av tidigare krav, kanne- tecknad av att den utgör ett system integrerat på kisel. A111: