[發明專利]一種非侵入式的網絡化嵌入式系統評測裝置及評測方法

有效

• 申請號: 201811607621.0
• 申請日: 2018-12-27
• 公開（公告）號: CN109684186B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 馬峻巖;李尚榮;李易;張穎;劉仟金;許良;李劍龍
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: G06F11/34
• 分類號: G06F11/34
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

一種非侵入式的網絡化嵌入式系統評測裝置及評測方法，評測裝置包括控制器、觀察者與目標，控制器為PC電腦，觀察者由嵌入式微型計算機、調試板、時鐘同步裝置以及邏輯分析儀組成，目標為具備標準串行調試接口的嵌入式網絡傳感器節點。控制器通過無線局域網/以太網控制觀察者對目標進行調試以及追蹤原始信息的收集，觀察者將調試信息與追蹤原始數據發送給控制器，控制器直接展示出調試信息并將追蹤原始數據解碼并展示。本發明的真實程度與可信性高、穩定高效，能夠實現對設備執行的代碼進行指令精度的追蹤，為測試者提供詳盡的分析數據，對于嵌入式系統的科學研究與實際應用價值顯著。

技術領域

本發明屬于嵌入式系統評測領域，具體涉及一種非侵入式的網絡化嵌入式系統評測裝置及評測方法，基于硬件輔助追蹤技術實現與操作系統及應用程序類別無關的系統狀態評測。

背景技術

通常嵌入式網絡傳感器系統的節點部署環境較為惡劣，部署后的系統難以調試和修改，部署之前的測試顯得尤為重要。傳統調試方法在網絡化調試時侵入性太強，影響系統運行。

以物聯網和無線傳感器網絡為代表的嵌入式網絡傳感器系統設備具備射頻通信能力，需要運行網絡協議，也存在運行實時操作系統以及控制電機等的情況，這些情況決定了調試與評測時應盡量減少侵入性不過多干涉程序原本的執行，還要能降低調試所帶來的額外開銷，不能像傳統的JTAG調試在停止與恢復之間切換。這要求評測裝置具備非侵入式評測能力，同時能夠記錄下程序的運行過程，以供后續回放程序時進行分析。

在Cortex-M3/M4內核的調試模塊中有一個數據觀察點與追蹤模塊DWT(datawatchpoint and trace)以及兩個獨立的跟蹤模塊ITM(instrumentation tracemacrocell)與ETM(embedded trace macrocell)。其中DWT可以給ITM提供硬件跟蹤信息(觀察點、PC采樣、數據地址采樣以及中斷)，也可以向ETM提供ETM觸發信息；ITM可以實現高級別、低帶寬的硬件跟蹤與非侵入性的跟蹤、類似串口printf的調試方式；而ETM則可以跟蹤包括跳轉信息在內的CPU所執行的每條指令。許多IoT與WSN微控制器含有這些調試模塊，卻缺乏廣泛的應用。

目前，國外在非侵入式網絡化嵌入式系統評測領域已經取得一些成果。傳統嵌入式網絡評測常使用仿真工具，采用仿真的方法對網絡化嵌入式系統進行評測，無法獲得真實環境中系統的運行狀況。傳統嵌入式網絡評測也常使用收集節點串口輸出狀態信息的方式進行評測，給算力有限的網絡節點帶來沉重的負擔，仍然無法獲得真實運行狀態下系統的運行狀況。

Minerva是當前較為成熟的非侵入式網絡化嵌入式系統評測解決方案，它面向無線傳感器網絡，包括目標、觀察者與控制器三部分。JTAG作為標準測試協議，易于解析，而JTAG接口作為標準測試接口，在微控制器中普遍存在，觀察者是Minerva的核心，它通過軟件方式實現對目標的非侵入式調試，在不停止處理器運行的前提下，通過實時解析JTAG協議輸出信息獲取節點狀態。Minerva的研發成功為非侵入式網絡化嵌入式系統的評測提供了新的研究方向，尤其是使觀察者的設計結構高效、簡單、易于使用。Minerva還存在以下缺陷：(1)JTAG接口雖然是微控制的標準測試接口，但主要存在于管腳資源豐富的微控制器中，在低成本網絡化嵌入式微控制器中，JTAG接口往往被省略。(2)僅通過分析JTAG接口的輸出信息調獲取節點的狀態信息，信息的完整性受到JTAG速度的限制。(3)睡眠狀態無法分析，微控制器在睡眠狀態下將關閉調試接口以降低功耗，此時無法獲得信息用以分析。

參考文獻