嵌入式操作系統(tǒng)的調試問題及解決方法
加入技術交流群
EPBDM的運作相當于用處理器內嵌的調試模塊接管中斷及異常處理。用戶通過設置調試許
可寄存器（debug enable register）來指定哪些中斷或異常發(fā)生后處理器直接進入調試狀態(tài)，而不是操作系統(tǒng)的處理程序。進入調試狀態(tài)后，內嵌調試模塊向外部調試通信接口發(fā)出信號，通知一直在通信接口監(jiān)聽的主機調試器，然后調試器便可通過調試模塊使處理器執(zhí)行任意系統(tǒng)指令（相當于特權態(tài)）。所有指令均通過調試模塊獲取，所有l(wèi)oad/store 均直接訪問內存，緩存（cache）及存儲管理單元（MMU）均不可用；數據寄存器被映射為一個特殊寄存器DPDR，通過mtspr和mfspr指令訪問。調試器向處理器送rfi(return from interrupt)指令便結束調試狀態(tài)，被調試程序繼續(xù)運行。
與插樁方式的缺點相對應，OCD不占用目標平臺的通信端口，無需修改目標操作系統(tǒng)，能調試目標操作系統(tǒng)的啟動過程，大大方便了系統(tǒng)開發(fā)人員。隨之而來的缺點是軟件工作量的增加：調試器端除了需補充對目標操作系統(tǒng)多任務的識別、控制等模塊，還要針對使用同一芯片的不同開發(fā)板編寫各類ROM、RAM的初始化程序。
下面就以調試運行于MPC860的LINUX為例，說明用OCD方式調試OS 啟動的某些關鍵細節(jié)。
首先，LINUX內核模塊以壓縮后的zImage形式駐留于目標板的ROM，目標板上電后先運行ROM中指定位置的程序將內核移至RAM并解壓縮，然后再跳轉至內核入口處運行。要調試內核，必須在上電后ROM中的指令執(zhí)行之前獲得系統(tǒng)的控制權，即進入調試狀態(tài)、設斷點，這樣才能開展調試過程。MPC860的EPBDM提供了這一手段。
MPC860沒有類似X86的INT 3那樣能產生特定調試陷阱異常的指令，而操作系統(tǒng)內核往往具有針對非法指令的異常處理；為了使對內核正常運行的干擾降至最小，調試時應盡量設置硬件斷點，而不是利用非法指令產生異常的軟斷點。
LINUX實現了虛存管理，嵌入式LINUX往往也有這一功能。地址空間從實到虛的轉換在內核啟動過程中便完成了，不論調試內核還是應用程序，調試器都無法回避對目標系統(tǒng)虛地址空間的訪問，否則斷點命中時根本無法根據程序計數器的虛地址顯示當前指令，更不用說訪問變量了。由于調試狀態(tài)下轉換旁視緩沖器（Translation Lookaside Buffer）無法利用，只能仿照LINUX內核TLB失效時的異常處理程序，根據虛地址中的頁表索引位訪問特定寄存器查兩級頁表得出物理頁面號，從而完成虛實地址的轉換。MPC860采用哈佛結構（Harvard architecture），指令和數據緩存分離設置（因為程序的指令段和數據段是分離的，這種結構可以消除取指令和訪問數據之間的沖突），二者的TLB也分離設置；然而TLB失效時查找頁表計算物理地址的過程是相同的，因為頁表只有一個，不存在指令、數據分離的問題。虛實地址轉換這一任務雖然完全落在了調試器一方，由于上述原因，再加上調試對象是嵌入式系統(tǒng)，一般不會有外存設備，不必考慮內存訪問缺頁的情況，所以增加的工作量并不大。
深入話題
傳統(tǒng)的調試方法可概括為如下過程：設斷點--程序暫停--觀察程序狀態(tài)--繼續(xù)運行。被調試的如果是實時系統(tǒng)，即使調試器支持批處理命令避免了用戶輸入命令、觀察結果帶來的延遲，它與目標系統(tǒng)之間的通信也完全可能錯過對目標平臺外設信號的響應。于是，針對某些調試器（如GDB）提供的監(jiān)視點（trace point）這一特殊調試手段，目標方的插樁在原有的基礎上被改進，稱為代理（agent）。調試時用戶首先在調試器設置監(jiān)視點，以源代碼表達式的形式指定感興趣的對象名。為了減少代理解析表達式的工作，調試器將表達式轉換為簡單的字節(jié)碼，傳送至代理。程序運行后命中監(jiān)視點、喚醒代理，代理根據字節(jié)碼記錄用戶所需數據存入特定緩沖區(qū)（不僅僅是表達式的最終結果，還有中間結果），令程序繼續(xù)運行；這一步驟無需與調試器通信。當調試器再度得到控制時，就可以發(fā)出命令，向代理查詢歷次監(jiān)視記錄。較之于插樁，代理增加了對接受到的字節(jié)碼的分析模塊，相應的目標代碼體積只有大約3K字節(jié)；當然，監(jiān)視記錄緩沖區(qū)也要占用目標平臺的存儲空間，不過緩沖區(qū)的大小可在代理生成時由用戶決定。總之，這一改進以有限的目標系統(tǒng)資源為代價，為實時監(jiān)視提供了一個低成本的可行方案。
調試并不僅僅意味著設斷點--程序暫停--觀察--繼續(xù)這一過程，往往還需要profiling、跟蹤（trace）等多種手段，而現代微處理器的技術進步卻為這些調試手段的實行帶來了困難。以跟蹤為例，其目的無非是記錄真實的程序運行流；可現代處理器指令緩存都集成于芯片內（RISC處理器尤為如此），運行指令時取指這一操作大多在芯片內部針對指令緩存進行，芯片外部總線上只能觀察到多條指令的預?。╬refetch），預取的指令并不一定執(zhí)行（由于跳轉等原因）；另外，指令往往經過動態(tài)調度后在流水線中亂序執(zhí)行，如何再現其原始順序也是個問題。解決方案大致有以下三種：
有的處理器除了正常運行外，還能以串行方式運行，所有的取指周期都可呈現于片外總線（相當于禁用緩存與流水線）。這樣一來，跟蹤容易多了，處理器性能也大大降低了，根本不適用于實時要求嚴格的系統(tǒng)。
編譯器自動在指定的分支及函數出入口插入對特定內存區(qū)域的寫指令（與gprof等profiling工具采用的手段類似），它們都是不通過緩存而直接向內存寫的，這就能反映于芯片外總線從而被外接的邏輯分析儀記錄，最終由主機端的調試工具分析并結合符號表重構程序流。這種方法雖被廣泛使用，但畢竟是干擾式的（intrusive），對系統(tǒng)性能也有影響。
像上文所述的片上調試那樣，也有處理器在片內附加了跟蹤電路，收集程序流運行時的不連貫（discontinuities）信息（分支和異常處理的跳轉目的及源地址等），壓縮后送至特定端口，再由邏輯分析儀捕獲送至主機端調試工具重構程序流。該方案對系統(tǒng)性能影響最小。
總之，處理器廠家提供集成于片內的調試電路為高檔嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供各種非干擾式的調試手段早已是大勢所趨。為了解決該領域標準化的需要，一些處理器廠家、工具開發(fā)公司和儀器制造商于1998年組成了Nexus 5001 Forum，這是一個旨在為嵌入式控制應用產生和定義嵌入式處理器調試接口標準的聯合組織，以前的名稱是Global Embedded Processor Debug Interface Standard Consortium（全球嵌入式處理器調試接口標準協(xié)會）。Nexus現在有24個成員單位，包括創(chuàng)始成員Motorola、Infineon Technologies、日立、ETAS和HP等公司。該組織首先處理的是汽車動力應用所需要的調試，現在已發(fā)展成為調試數據通信、無線系統(tǒng)和其他實時嵌入式應用的通用接口。 本文引用地址：http://2s4d.com/article/149244.htm linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
評論