一類在線調(diào)試技術在嵌入式系統(tǒng)軟件中的應用

黃小波，邵 威

（中國電子科技集團公司第三十八研究所 安徽 合肥 230013）

在嵌入式技術飛速發(fā)展的今天，嵌入式產(chǎn)品已出現(xiàn)在社會的各個領域，包括通信、軍事、儀表、航空、航天、工業(yè)控制及家庭消費等。從嵌入式系統(tǒng)的外觀上看，嵌入式系統(tǒng)像是一個“可編程”的電子“器件”；從構成上看，嵌入式系統(tǒng)是集軟硬件于一體的、可獨立工作的計算機系統(tǒng)；從功能上看，它是對宿主對象進行控制，使其具有“智能”的控制器。從應用的角度看，嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)相比，有如下一些特點：

1）專用性。由于嵌入式系統(tǒng)通常是面向某個特定應用的，所以嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件，尤其是軟件，都是為特定用戶群來設計的，它通常都具有某種專用性的特點。

2）實時性。目前，嵌入式系統(tǒng)廣泛應用于生產(chǎn)過程控制、數(shù)據(jù)采集、傳輸通信等場合，主要用來對宿主對象進行控制。例如，對嵌入在武器裝各中的嵌入式系統(tǒng)、在火箭中的嵌入式系統(tǒng)等應用中的實時性要求就極高。實時性是對嵌入式系統(tǒng)的普遍要求，是設計者和用戶重點考慮的一個重要指標。

嵌入式系統(tǒng)軟件的調(diào)試技術一直是一項困難而富有挑戰(zhàn)性的技術。嵌入式系統(tǒng)中的軟件調(diào)試與桌面軟件的調(diào)試有很大的不同[1]。調(diào)試嵌入式系統(tǒng)時，調(diào)試器和被調(diào)試程序往往是物理上分離的。調(diào)試器運行在宿主機上，而被調(diào)試程序運行在目標機上，宿主機與目標機之間通過某種媒介進行通信。同時，還要在目標機上運行一個稱為調(diào)試代理（Debug Agent）的監(jiān)控程序，由它來負責與運行在宿主機上的調(diào)試器進行通信，控制被調(diào)試程序的執(zhí)行，并將被調(diào)試程序的執(zhí)行情況及時反饋給調(diào)試器。對一些響應時間要求在毫秒或微妙的系統(tǒng)軟件中，在調(diào)試過程中，還要考慮設計的調(diào)試程序是否會導致系統(tǒng)延時、是否會破壞系統(tǒng)軟件的高實時性要求。本文針對工程實際應用背景，提出了一種基于數(shù)組動態(tài)保存、文件記錄和后期數(shù)據(jù)處理的在線調(diào)試技術，在滿足系統(tǒng)軟件高實時性要求的前提下，有效地解決了通訊數(shù)據(jù)丟包排查、數(shù)據(jù)誤碼率驗證和運行過程中關鍵變量的可持續(xù)跟蹤問題，對解決系統(tǒng)聯(lián)調(diào)中出現(xiàn)的問題有很強的現(xiàn)實價值。

1 動態(tài)調(diào)試技術

程序的動態(tài)調(diào)試就是實際上機調(diào)試。根據(jù)程序編譯、連接和運行時計算機給出的錯誤信息進行程序調(diào)試，這是程序調(diào)試中最常用的方法，也是最初步的動態(tài)調(diào)試。在此基礎上，通過分段隔離、設置斷點、跟蹤打印等對程序進一步調(diào)試。目前常用的動態(tài)調(diào)試方法包括：

1）使用在線仿真器

隨著低成本的在線調(diào)試能力的增強，如ARM的ICE[2-3]（在線仿真器），通過指令單步調(diào)試變得更容易。這種方式可以查看和修改變量值，顯示寄存器的內(nèi)容，查看內(nèi)存塊。

2）使用遠端調(diào)試器

通過遠端調(diào)試器[4-5]，登錄或接管目標系統(tǒng)操作權限，實現(xiàn)讀/寫內(nèi)存與寄存器、設置斷點、單步執(zhí)行和繼續(xù)執(zhí)行功能。

3）在IDE（集成編輯環(huán)境）中使用動態(tài)調(diào)試

很多IDE都帶有動態(tài)調(diào)試功能[6]，諸如：單步運行、變量監(jiān)視等，有的甚至給出了寄存器、反匯編、函數(shù)調(diào)用堆棧。但上述方法通常只有在目標系統(tǒng)停止運行時候才可以實現(xiàn)。然而，很多實時系統(tǒng)是不能停止的，由此引出如下動態(tài)調(diào)試方法。

4）使用 assert（斷言）

目前一般嵌入式操作系統(tǒng)都支持C或C++語言。C或C++語言有一個很實用的系統(tǒng)函數(shù)：assert（）。一旦計算發(fā)生錯誤，程序就會立即終止，并提醒程序員有錯誤發(fā)生，在哪一行。使用斷言最根本的好處是自動發(fā)現(xiàn)許多運行時產(chǎn)生的錯誤，但斷言不能發(fā)現(xiàn)所有錯誤。

5）使用 printf（）函數(shù)

對于用C或C++語言編寫的嵌入式軟件，可以將printf（）函數(shù)來插入到代碼中的關鍵位置來查看或輸出對象的動態(tài)行為。但過度使用 printf（）函數(shù)將導致程序臃腫，且會造成系統(tǒng)延時。當通過串口傳遞信息時，這個延時會更長。

6）使用文件實時保存

將變量實時寫入本地文件中，通過對保存的文件進行后續(xù)分析，查看系統(tǒng)在整個運行過程中行為的變化情況。由于文件實時讀寫過程中會強制占用系統(tǒng)時間，所以對于一些高實時性運行環(huán)境，使用文件實時讀取方式會破壞系統(tǒng)工作環(huán)境的完整性。

2 具體設計

基于數(shù)組動態(tài)保存、文件記錄和后期數(shù)據(jù)處理的在線調(diào)試技術的具體設計流程如圖1所示。

圖1 在線調(diào)試技術處理流程圖Fig.1 Flow chart of online debugging technique process

對上述流程圖中的執(zhí)行條件，可以在程序設計時預先定義好觸發(fā)條件，也可以通過外部發(fā)送控制命令（如通過網(wǎng)絡、串口或1553B總線等發(fā)送命令）來產(chǎn)生觸發(fā)事件。為考慮程序通用性，設計如下函數(shù)：void WriteDataToBuf（unsiged char*pch，unigned short len）；用于將需保存的單個數(shù)據(jù)或一串數(shù)據(jù)寫入到數(shù)組buf中。

函數(shù)WriteDataToBuf使用如下：

1）存放char或unsiged char類型數(shù)據(jù)，如：unsiged char m_value=0x11； WriteDataToBuf（&m_value，1）；

2）存放short或unsiged short類型數(shù)據(jù)，如 unsiged short m_value=0x1111； WriteDataToBuf（&m_value，2）；

3）存放占用4個字節(jié)長度的類型數(shù)據(jù) （long，float等），如 float m_value=12.345； WriteDataToBuf（&m_value，4）；

4）存放長度為len的數(shù)組，如 unsiged char m_value[20]，WriteDataToBuf（m_value，20）；

為便于直觀查看文件pData中數(shù)據(jù)，一般將文件pData生成后綴名為txt文件，生成的文件pData.txt一般采用16進制保存 （用戶可自行定義存儲方式）。對生成的pData.txt文件，依據(jù)實際應用需求，可進行后續(xù)加工處理。通常的處理方式包括：

①將變量存儲的類型轉換為10進制數(shù)據(jù)；

②通過其它數(shù)據(jù)分析工具進行分析，如origin，excel，matlab等，以查看數(shù)據(jù)或一串數(shù)組的變化情況；

③編寫特制應用軟件進行數(shù)據(jù)分析處理。

3 工程應用

某SAR（Synthetic Aperture Radar，合成孔徑雷達）系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。

圖2 SAR系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of the SAR system components

圖中虛線框內(nèi)為與SAR連接的外部設備。其中測控處理軟件固化在監(jiān)控分系統(tǒng)板載PC104中，采用QNX操作系統(tǒng)，編寫語言為C++。測控處理軟件接收的控制指令由一體化顯控發(fā)送，發(fā)送的方式為非周期形式。由于為無線鏈路通訊方式，存在數(shù)據(jù)指令丟失的可能，為增加指令通訊的可靠性，每一控制指令連續(xù)發(fā)送3次。設一體化顯控發(fā)送的指令包記為A={A1，A2，A3，A4…An}，n=16。 指令包經(jīng)過機載數(shù)據(jù)終端重新打包后形成指令包 B，記為 B={A，B1，B2，…Bm}，m=44。 指令包A成為指令包B的子包。測控處理軟件通過異步串口接收機載數(shù)據(jù)終端發(fā)送的指令包B。

為減少人工操作，一體化顯控界面設計了多種一鍵操作模式，點擊一個控制按鈕，會自動發(fā)送若干條控制指令，最多會一次發(fā)出10條以上控制命令，每條控制指令重復發(fā)送3次，兩條指令間隔時間在20 ms內(nèi)，也即意味測控處理軟件在1秒內(nèi)會收到近50條控制指令。

在實際聯(lián)調(diào)過程中，發(fā)現(xiàn)測控處理軟件收到的指令包A存在丟包現(xiàn)象。丟包的原因可以通過鏈路組成形成如下猜測（如下猜測之一或其組合）：

①一體化顯控發(fā)送出來的指令包A已經(jīng)丟包；

②指令包A經(jīng)過無線鏈路傳輸?shù)綑C載數(shù)據(jù)終端前已經(jīng)丟包；

③機載終端接收指令包A，在處理過程及重新對數(shù)據(jù)打包形成指令包B過程中丟包；

④測控處理軟件通過串口接收到完整指令包，但在處理過程中丟包。

由于虛線部分為外部設備，且已經(jīng)過聯(lián)調(diào)（當然沒有和SAR聯(lián)調(diào)過），如上猜測2）和3）暫時排除在外。而一體化顯控采用VC編程，可方便驗證猜測1）的情況。

為便于測試，一體化顯控發(fā)送控制指令時，將某個字節(jié)定義為幀編號，每發(fā)送出一條指令時，幀編號加1。假設一體化顯控發(fā)送出去的控制指令都正確的話，如果測控處理軟件通過串口收到的控制指令丟包，正常的排查措施如下：

① 在測控處理軟件中使用printf函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)通過屏幕輸出的方式實時打印出來。帶來的問題是，屏幕刷新速度太快，無法確認數(shù)據(jù)實際接收情況；同時頻繁使用printf函數(shù)會造成系統(tǒng)延時，影響串口接收中斷，破壞了系統(tǒng)實際工作環(huán)境。

②累計1 s統(tǒng)計接收到的正確數(shù)據(jù)包，然后通過printf（）函數(shù)輸出到屏幕上。帶來的問題是，無法確認是哪組指令出現(xiàn)丟包，每組指令丟包多少；

③在測控處理軟件中將從串口接收到的原始數(shù)據(jù)實時保存到文件中。帶來的問題是，采用實時文件讀寫方式會造成系統(tǒng)延時，影響串口接收中斷，破壞了系統(tǒng)實際工作環(huán)境。

④在機載數(shù)據(jù)終端送出數(shù)據(jù)時采用串口調(diào)試工具。帶來的問題是，由于現(xiàn)場條件約束，無法使用串口調(diào)試工具。

針對上述調(diào)試手段的不足，現(xiàn)采用基于數(shù)組動態(tài)保存、文件記錄和后期數(shù)據(jù)處理的在線調(diào)試技術來查看數(shù)據(jù)丟包率及數(shù)據(jù)丟包可能的源頭。具體解決過程如下：

① 申請一個較大空間的數(shù)組，如可存字節(jié)長度為100 000個；

② 通過調(diào)試工具（一般可用網(wǎng)絡調(diào)試工具）向測控處理軟件發(fā)送數(shù)據(jù)存數(shù)組指令；

③一段時間后發(fā)送數(shù)據(jù)存文件指令，生成pData.txt文件；

④將生成的pData.txt文件用ftp工具下載到本地計算機；

⑤ 使用VC編寫一個自動分析數(shù)據(jù)的軟件，將文件pData.txt中的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)包B的長度進行抽取，以查看數(shù)據(jù)包B中數(shù)據(jù)是否存在數(shù)據(jù)錯位；

⑥在抽取出數(shù)據(jù)包B的基礎上，通過軟件再抽取出數(shù)據(jù)包A。并可以根據(jù)實際情況，自動分析數(shù)據(jù)中校驗和錯誤率、有效控制命令數(shù)、相鄰數(shù)據(jù)幀編號之差等。

通過上述方法，就可以分析出數(shù)據(jù)的丟包數(shù)、丟包率、數(shù)據(jù)傳輸錯位情況，同時可判斷是由于機載數(shù)據(jù)終端送出時已丟包還是由于測控處理軟件在處理過程中產(chǎn)生了數(shù)據(jù)丟包。最終將問題定位在猜測2）上。

4 結束語

相比較一般常用調(diào)試方法，基于數(shù)組動態(tài)保存、文件記錄和后期數(shù)據(jù)處理的在線調(diào)試技術具有如下優(yōu)點：1）不中斷當前程序執(zhí)行過程；2）對程序動態(tài)實時性能影響較小，特別是對高實時性要求的系統(tǒng)軟件，此優(yōu)點尤其突出；3）可根據(jù)實際需求保存任意時間段、任意變量的數(shù)據(jù)值，便于后續(xù)分析；4）可查看變量在毫秒或微秒級內(nèi)的動態(tài)變化過程。

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