基于Eclipse的嵌入式軟件交叉調(diào)試

田 丹，李運(yùn)喜，胡 寧，麥先根

（中航工業(yè) 西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 三室，陜西 西安 710068）

0 引 言

開發(fā)任何一個(gè)軟件都不可避免地存在各種錯(cuò)誤，通常程序員利用調(diào)試器來跟蹤程序執(zhí)行情況，定位錯(cuò)誤產(chǎn)生的位置，找到引起錯(cuò)誤的原因，最終改正錯(cuò)誤。一般來說，調(diào)試器的主要功能是控制目標(biāo)程序執(zhí)行過程，查看、修改目標(biāo)程序?qū)ο?，包括在目?biāo)程序中設(shè)置刪除斷點(diǎn)；源代碼級(jí)或匯編級(jí)單步執(zhí)行、連續(xù)執(zhí)行目標(biāo)程序；查看、修改目標(biāo)程序變量、寄存器和內(nèi)存等。嵌入式軟件調(diào)試通常采用宿主機(jī)/目標(biāo)機(jī)模式，借助通用計(jì)算機(jī)作為宿主機(jī)，在宿主機(jī)上編輯源代碼，使用交叉編譯器編譯生成目標(biāo)機(jī)的可執(zhí)行代碼，通過通信介質(zhì)將目標(biāo)代碼下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行，使用交叉調(diào)試器進(jìn)行跟蹤調(diào)試，其一般通用結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 交叉調(diào)試結(jié)構(gòu)

國(guó)外計(jì)算機(jī)業(yè)在嵌入式軟件調(diào)試領(lǐng)域發(fā)展很快，開發(fā)出多款功能強(qiáng)大、支持多種目標(biāo)機(jī)的交叉調(diào)試器。目前國(guó)內(nèi)的嵌入式系統(tǒng)發(fā)展迅速，對(duì)嵌入式軟件的開發(fā)環(huán)境也提出了新的要求，因此在此著手進(jìn)行嵌入式軟件的源代碼級(jí)交叉調(diào)試器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 Eclipse、CDT和GDB

Eclipse項(xiàng)目是由IBM、Borland、Rational等多家軟件工具開發(fā)公司參與研究和推廣的新一代通用集成開發(fā)環(huán)境，核心是動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)插件（Plug?in）的體系結(jié)構(gòu)[1]。微內(nèi)核形式的平臺(tái)核心負(fù)責(zé)處理基本環(huán)境的后臺(tái)工作，基于功能的單個(gè)插件專注于執(zhí)行特定的任務(wù)。通過集成來自不同供貨商的插件，Eclipse可以不斷擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)各種不同的功能：支持C/C++開發(fā)的CDT（C/C++Develop?ment Toolkit）插件；支持Java開發(fā)調(diào)試的JDT插件；支持XML開發(fā)的WST插件；支持遠(yuǎn)程系統(tǒng)開發(fā)的RSE（Re?mote System Explorer）插件；支持版本管理的CVS插件；支持模型驅(qū)動(dòng)開發(fā)的GEF、EMF插件等。Eclipse當(dāng)前已經(jīng)成為主流的嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境基礎(chǔ)平臺(tái)[2]，其中集成有嵌入式軟件開發(fā)調(diào)試過程中的各種工具，如目標(biāo)機(jī)應(yīng)用程序項(xiàng)目管理、源代碼編輯、項(xiàng)目構(gòu)建、交叉運(yùn)行、交叉調(diào)試、交叉測(cè)試、固化、遠(yuǎn)程系統(tǒng)查詢?yōu)g覽等[3]。

GDB是GNU提供的開放源代碼的源代碼級(jí)調(diào)試工具，可以用于C/C++等程序的跟蹤調(diào)試[4]。在嵌人式系統(tǒng)開發(fā)軟件中，開發(fā)人員能夠使用GDB以遠(yuǎn)程調(diào)試的方式單步執(zhí)行目標(biāo)平臺(tái)上的程序代碼、設(shè)置斷點(diǎn)、查看內(nèi)存，和目標(biāo)平臺(tái)交換信息。GDB同目標(biāo)機(jī)交換信息的能力相當(dāng)強(qiáng)大，勝過絕大多數(shù)的商業(yè)調(diào)試工具，甚至可以與某些低端仿真器媲美。同樣，與打印輸出等傳統(tǒng)的軟件調(diào)試手段相比，GDB遠(yuǎn)程調(diào)試的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、方便等方面的優(yōu)勢(shì)非常明顯。

CDT是在Eclipse平臺(tái)上支持C/C++開發(fā)的工具插件，支持創(chuàng)建、編輯、資源管理、編譯、運(yùn)行和調(diào)試本地C/C++程序[5]。CDT由一組相關(guān)聯(lián)插件組成，每個(gè)插件都作為一個(gè)獨(dú)立自主的項(xiàng)目運(yùn)行。

CDT的本地調(diào)試大致分為3步：

（1）初始化運(yùn)行環(huán)境。CDT需要初始化運(yùn)行環(huán)境、設(shè)置被調(diào)試的目標(biāo)文件、設(shè)置調(diào)試入口、確定源代碼位置和查找規(guī)則、設(shè)置和GDB調(diào)試器的通信鏈接參數(shù)等。啟動(dòng)調(diào)試會(huì)話后，CDT創(chuàng)建并初始化調(diào)試對(duì)象、線程信息、斷點(diǎn)信息、寄存器信息、內(nèi)存信息、源代碼信息等；

（3）開始調(diào)試。用戶發(fā)出調(diào)試命令后，CDT首先檢測(cè)被調(diào)試對(duì)象的狀態(tài)，如此時(shí)對(duì)象已經(jīng)運(yùn)行則拋出異常（如被掛起），并向GDB發(fā)出continue命令；如被終止或沒有運(yùn)行，則向GDB發(fā)出run命令，運(yùn)行調(diào)試對(duì)象，直到觸發(fā)事件。當(dāng)有事件被觸發(fā)，CDT將收集事件發(fā)生時(shí)的目標(biāo)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)該現(xiàn)場(chǎng)決定被調(diào)試的線程、斷點(diǎn)位置、源代碼位置以及目標(biāo)機(jī)對(duì)象信息，并反饋給用戶，用戶可執(zhí)行下一條的調(diào)試命令，CDT通過MI接口將具體的調(diào)試命令傳遞給GDB執(zhí)行，依次循環(huán)直至完成本次調(diào)試。

CDT的調(diào)試支持部分包括CDT調(diào)試核心、CDT調(diào)試UI、CDT調(diào)試MI和 CDT調(diào)試啟動(dòng)等插件，通過擴(kuò)展上述插件，可啟動(dòng)交叉調(diào)試器GDB，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程目標(biāo)機(jī)程序的源代碼級(jí)交叉調(diào)試功能。

根據(jù)Eclipse、CDT以及GDB的以上功能特性，以Eclipse為交叉調(diào)試環(huán)境基礎(chǔ)平臺(tái)，調(diào)用CDT調(diào)試服務(wù)框架，擴(kuò)展調(diào)試相關(guān)功能，將嵌入式交叉工具鏈無(wú)縫集成到交叉調(diào)試環(huán)境基礎(chǔ)平臺(tái)中。

2 交叉調(diào)試組成結(jié)構(gòu)

交叉調(diào)試由CDT交叉調(diào)試支持、目標(biāo)機(jī)服務(wù)器通信支持和交叉GDB，如圖2所示。CDT交叉調(diào)試擴(kuò)展CDT的調(diào)試擴(kuò)展服務(wù)，調(diào)用交叉GDB，提供遠(yuǎn)程交叉調(diào)試支持。

圖2 交叉調(diào)試組成圖

2.1 CDT交叉調(diào)試

CDT調(diào)試覆蓋基本的調(diào)試工具，包括調(diào)試啟動(dòng)、調(diào)試視圖、斷點(diǎn)視圖、表達(dá)式視圖、變量視圖、反匯編視圖、內(nèi)存視圖和源碼編輯器等。調(diào)試啟動(dòng)管理調(diào)試啟動(dòng)配置。調(diào)試視圖管理調(diào)試會(huì)話，顯示調(diào)試棧幀，提供調(diào)試操作。斷點(diǎn)視圖提供調(diào)試斷點(diǎn)管理功能，包括設(shè)置、刪除、關(guān)閉和打開斷點(diǎn)等操作。變量視圖提供局部變量和全局變量操作功能。寄存器視圖提供寄存器操作功能，在多核條件下，支持查看不同核上的寄存器。內(nèi)存視圖提供內(nèi)存操作。表達(dá)式視圖提供表達(dá)式求值功能。反匯編視圖支持反匯編調(diào)試。源碼編輯器提供源代碼級(jí)調(diào)試。

交叉調(diào)試擴(kuò)展CDT，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)新的插件：cross.de?bug.core和cross.debug.ui。cross.debug.core需要擴(kuò)展命令工廠擴(kuò)展點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)交叉調(diào)試命令集；擴(kuò)展調(diào)試器擴(kuò)展點(diǎn)，啟動(dòng)交叉調(diào)試GDB；實(shí)現(xiàn)符號(hào)表管理器，提供脫離GDB的符號(hào)表查詢接口，在GDB沒有啟動(dòng)的情況下（如加載時(shí)）查詢符號(hào)地址；擴(kuò)展調(diào)試啟動(dòng)器擴(kuò)展點(diǎn)，鏈接目標(biāo)機(jī)服務(wù)器，根據(jù)調(diào)試類型加載目標(biāo)文件。cross.debug.ui插件擴(kuò)展調(diào)試運(yùn)行類型擴(kuò)展點(diǎn)，為支持的嵌入式操作系統(tǒng)添加專有的調(diào)試運(yùn)行類型組，與該嵌入式操作系統(tǒng)相關(guān)的調(diào)試啟動(dòng)歸屬于這個(gè)組；擴(kuò)展調(diào)試器配置頁(yè)擴(kuò)展點(diǎn)，配置調(diào)試參數(shù)如選擇目標(biāo)機(jī)服務(wù)器、調(diào)試初始入口和加載配置等。

2.2 目標(biāo)機(jī)服務(wù)器通信支持

目標(biāo)機(jī)服務(wù)器用于管理宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間的通信鏈接，是嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境與目標(biāo)機(jī)的通信中心。目標(biāo)機(jī)服務(wù)器可以管理多個(gè)目標(biāo)機(jī)，同時(shí)向多個(gè)目標(biāo)機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，可以同時(shí)接收多個(gè)目標(biāo)機(jī)的數(shù)據(jù)。目標(biāo)機(jī)服務(wù)器將開發(fā)環(huán)境中所有和目標(biāo)機(jī)通信相關(guān)統(tǒng)一管理，并為開發(fā)工 具提供目標(biāo)機(jī)通信接口。

樣品經(jīng)濕法消化后，導(dǎo)入原子吸收分光光度計(jì)中，經(jīng)火焰原子化后，吸收422.7 nm處的共振線，其吸收量與含量成正比，與標(biāo)準(zhǔn)系列比較定量。

目標(biāo)機(jī)服務(wù)器提供目標(biāo)機(jī)管理、數(shù)據(jù)傳輸、目標(biāo)機(jī)通信、目標(biāo)機(jī)通信連接檢查、命令管理、目標(biāo)機(jī)事件管理、RSP數(shù)據(jù)處理、符號(hào)表管理、日志記錄等功能。

2.3 交叉GDB

交叉GDB提供不同體系結(jié)構(gòu)目標(biāo)機(jī)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程調(diào)試支持，在調(diào)試啟動(dòng)配置中可以選擇不同版本的交叉GDB。GDB和目標(biāo)機(jī)服務(wù)器之間接口是MI協(xié)議。目標(biāo)機(jī)服務(wù)器把MI協(xié)議命令轉(zhuǎn)化為RSP協(xié)議，發(fā)給目標(biāo)機(jī)代理處理。

3 交叉調(diào)試工作流程

交叉調(diào)試設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)程調(diào)試模式，與CDT本地調(diào)試有所不同，交叉調(diào)試需要與待目標(biāo)機(jī)的體系結(jié)構(gòu)相符的交叉調(diào)試GDB；交叉調(diào)試需要和遠(yuǎn)程目標(biāo)機(jī)通信，這由目標(biāo)機(jī)服務(wù)器負(fù)責(zé)；調(diào)試命令由GDB發(fā)給目標(biāo)機(jī)服務(wù)器，返回信息由目標(biāo)機(jī)服務(wù)器傳給GDB，再由CDT界面顯示。

交叉調(diào)試基本步驟為：

（1）初始化目標(biāo)機(jī)系統(tǒng)，建立宿主機(jī)與待調(diào)試目標(biāo)機(jī)之間的通信通道，加載運(yùn)行被調(diào)試的目標(biāo)文件到目標(biāo)機(jī)中；

（2）啟動(dòng)交叉調(diào)試器。確定宿主機(jī)中和目標(biāo)機(jī)上所運(yùn)行程序?qū)?yīng)的包含調(diào)試信息的目標(biāo)文件，然后啟動(dòng)宿主機(jī)上和目標(biāo)機(jī)體系結(jié)構(gòu)匹配的交叉調(diào)試器GDB，建立該交叉調(diào)試器和目標(biāo)機(jī)服務(wù)器的通信鏈接，以后的調(diào)試命令通過該通信鏈接向目標(biāo)機(jī)發(fā)送命令并接收目標(biāo)機(jī)返回的信息；

（3）初始化交叉調(diào)試運(yùn)行環(huán)境，建立交叉調(diào)試會(huì)話。啟動(dòng)交叉調(diào)試會(huì)話后，CDT創(chuàng)建并初始化調(diào)試對(duì)象、遠(yuǎn)程目標(biāo)機(jī)中的線程信息、斷點(diǎn)信息、寄存器信息、內(nèi)存信息、源代碼信息等；

（4）開始交叉調(diào)試。該過程與CDT的本地調(diào)試步驟（3）類似，GDB收到MI調(diào)試命令后，轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)程串行協(xié)議（Remote Serial Protocol，RSP）命令，發(fā)給目標(biāo)機(jī)服務(wù)器；目標(biāo)機(jī)服務(wù)器將RSP命令發(fā)送給目標(biāo)機(jī)執(zhí)行，并接收目標(biāo)機(jī)返回的執(zhí)行結(jié)果信息和目標(biāo)機(jī)程序執(zhí)行中觸發(fā)事件，送給GDB處理；GDB收到目標(biāo)機(jī)報(bào)告的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為MI命令回復(fù)交給CDT；CDT根據(jù)MI命令回復(fù)確定該調(diào)試命令的執(zhí)行結(jié)果。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 符號(hào)表管理技術(shù)

符號(hào)表是源碼級(jí)調(diào)試的必要功能。在本地調(diào)試過程中，由GDB管理符號(hào)表并提供查詢接口。交叉調(diào)試時(shí)，可能GDB尚未啟動(dòng)，或者不具備查詢狀態(tài)，不能從GDB獲得符號(hào)信息，需要調(diào)用脫離GCC工具鏈和GDB的符號(hào)表解析程序。解析程序包含4部分：Symbol類、Section類、ElfHeaher類、Elf類和符號(hào)表管理類 Symbol?Manager。

Symbol類描述符號(hào)相關(guān)信息，包括符號(hào)名字、符號(hào)地址、符號(hào)類型以及符號(hào)所屬段等數(shù)據(jù)。

Section類描述段相關(guān)信息，包括段名字、段類型、段屬性、裝入地址和段偏移及大小等數(shù)據(jù)。

ElfHeaher類描述Elf文件頭信息，包括文件類型、目標(biāo)體系類型、處理器標(biāo)識(shí)、文件入口地址、Elf頭偏移及大小、段表信息等數(shù)據(jù)。

Elf類解析帶有調(diào)試信息的目標(biāo)文件信息，創(chuàng)建相關(guān)信息對(duì)象：一個(gè)ElfHeader對(duì)象、一組Section對(duì)象和一組Symbol對(duì)象。

SymbolManager類提供設(shè)置符號(hào)文件、根據(jù)源代碼行號(hào)查地址、根據(jù)地址查源代碼行號(hào)、根據(jù)地址查符號(hào)、根據(jù)符號(hào)查地址以及獲得指定段等接口。

4.2 CDT調(diào)試擴(kuò)展技術(shù)

交叉調(diào)試對(duì)CDT調(diào)試的擴(kuò)展主要是在建立和目標(biāo)機(jī)服務(wù)器的通信鏈接，啟動(dòng)并初始化支持交叉調(diào)試的GDB方面，主要包括以下方面：

（1）擴(kuò)展交叉調(diào)試命令集實(shí)現(xiàn)CrossCommandFacto?ry。CDT默認(rèn)的調(diào)試命令集包含GDB的MI命令和部分CLI命令，需要加入新的命令如增加符號(hào)文件、根據(jù)源代碼行號(hào)查地址命令、根據(jù)地址查符號(hào)以及根據(jù)符號(hào)查地址等命令；

（2）擴(kuò)展交叉調(diào)試器實(shí)現(xiàn)CrossDebugger。啟動(dòng)交叉調(diào)試器需要找到符合目標(biāo)機(jī)體系結(jié)構(gòu)的GDB，添加符號(hào)表文件，把CDT建立的本地調(diào)試對(duì)象Target轉(zhuǎn)換為交叉調(diào)試對(duì)象CrossTarget以記錄遠(yuǎn)程目標(biāo)機(jī)的調(diào)試上下文，維護(hù)調(diào)試會(huì)話使用的目標(biāo)機(jī)服務(wù)器鏈接等參數(shù)；

（3）擴(kuò)展交叉調(diào)試器配置實(shí)現(xiàn)CrossDebuggerPage。在調(diào)試啟動(dòng)配置中添加交叉調(diào)試需要的參數(shù)配置界面；

（4）擴(kuò)展交叉調(diào)試器啟動(dòng)代理實(shí)現(xiàn)CrossLaunch?Delegate。根據(jù)配置鏈接目標(biāo)機(jī)服務(wù)器指定要調(diào)試的目標(biāo)機(jī)，加載待調(diào)試程序到目標(biāo)機(jī)；還有可能需要重定位目標(biāo)文件、設(shè)置所調(diào)試程序參數(shù)；根據(jù)配置啟動(dòng)交叉調(diào)試器，創(chuàng)建調(diào)試會(huì)話，初始化源代碼查找器。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要研究以開源的Eclipse和CDT項(xiàng)目為依托，在分析Eclipse、CDT和GDB的功能特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)CDT的擴(kuò)展服務(wù)，實(shí)現(xiàn)在宿主機(jī)上利用交叉調(diào)試GDB，調(diào)試遠(yuǎn)程目標(biāo)機(jī)程序的源代碼級(jí)交叉調(diào)試功能。該交叉調(diào)試支持通用的調(diào)試操作如設(shè)置刪除斷點(diǎn)、源代碼級(jí)或匯編級(jí)單步執(zhí)行、連續(xù)執(zhí)行目標(biāo)程序、查看/修改目標(biāo)程序變量、寄存器、內(nèi)存和查看表達(dá)式等。進(jìn)一步，在嵌入式軟件開發(fā)階段，開發(fā)者必須要對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)具有完全的觀察和控制能力，例如硬件的各種寄存器、內(nèi)存空間使用情況、CPU利用率，操作系統(tǒng)的信號(hào)量、消息隊(duì)列、任務(wù)、堆棧等對(duì)象和系統(tǒng)任務(wù)之間的通信情況、任務(wù)的執(zhí)行軌跡，這將是進(jìn)一步的工作。

[1]Anon.Fortify audit workbench user guide[EB/OL].[2012?11?17].http：//www.wenku.baidu.com/link?u.

[2]魏楚元，李陶深，張?jiān)龇?Eclipse：基于插件的下一代通用集成開發(fā)環(huán)境[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2005，22（6）：38?40.

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