RTEMS任務(wù)級別調(diào)試技術(shù)研究
調(diào)試一直是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的難題。開發(fā)者往往直接面對嵌入式開發(fā)硬件進(jìn)行開發(fā),就算目標(biāo)嵌入式環(huán)境中引入了操作系統(tǒng),其功能通常也有一定的限制,不能方便地進(jìn)行調(diào)試。而且,引入嵌入式操作系統(tǒng)的過程中的調(diào)試問題也很棘手。遠(yuǎn)程調(diào)試是解決此類問題的首選方案。
RTEMS操作系統(tǒng)是當(dāng)今應(yīng)用廣泛的開源實時操作系統(tǒng)。本文將以RTEMS操作系統(tǒng)為討論背景,介紹RTEMS操作系統(tǒng)環(huán)境下,如何使用GDB來完成系統(tǒng)的任務(wù)級調(diào)試工作。
1 RTEMS操作系統(tǒng)簡介
RTEMS,即實時多處理器系統(tǒng)(Real Time Executivefor Multiprocessor Systems),是一個開源的實時嵌入式操作系統(tǒng)。它最早用于美國國防系統(tǒng),現(xiàn)在它在航空航天、軍工及民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。
從結(jié)構(gòu)上來看,RTEMS是微內(nèi)核搶占式實時系統(tǒng)。圖1顯示了RTEMS操作系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。圖中白色部分為RTEMS操作系統(tǒng)的硬件支持部分(Board SupportPackage),它包括了硬件抽象代碼、硬件設(shè)備驅(qū)動代碼和操作系統(tǒng)啟動代碼?;疑糠譃镽TEMS內(nèi)核以及系統(tǒng)提供給應(yīng)用程序的API。在具體應(yīng)用場景中,圖中所有系統(tǒng)模塊都被編譯成一個靜態(tài)連接庫,用戶編寫的應(yīng)用程序和RTEMS庫靜態(tài)鏈接成一個整體,形成運行在目標(biāo)環(huán)境的鏡像文件。應(yīng)用程序只將需要的系統(tǒng)支持模塊鏈接進(jìn)來,最大程度地縮小了可執(zhí)行鏡像的大小。
此外,RTEMS十分簡潔,力求實時性。它不支持虛擬內(nèi)存,整個系統(tǒng)內(nèi)核以及應(yīng)用程序運行在共同的平板內(nèi)存空間之上。因此,RTEMS鏡像文件的運行可以看作是一個大型的、處理時鐘中斷的裸板程序。
2 GDB遠(yuǎn)程調(diào)試
GDB全稱GNU symbolic debugger。在大多數(shù)情況下,在UNIx或者Linux環(huán)境下使用GDB調(diào)試本機程序,GDB通過waitpid、ptrace等系統(tǒng)調(diào)用對被調(diào)試進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)查和控制。這種調(diào)試模式很常見,但它只是GDB調(diào)試的一種特殊情況:GDB本身的運行環(huán)境和被調(diào)試程序的運行環(huán)境恰巧是同一個。在有些情況下,被調(diào)試程序運行環(huán)境下可能無法方便地運行GDB,那么遠(yuǎn)程調(diào)試就會派上用場。
2.1 遠(yuǎn)程調(diào)試中程序的交互途徑
如圖2所示,GDB和被調(diào)試程序運行于不同的環(huán)境中。在GDB加載了和被調(diào)試程序?qū)?yīng)的調(diào)試信息之后,用戶可以通過它對被調(diào)程序進(jìn)行源代碼級調(diào)試。用戶向GDB下達(dá)調(diào)試命令,GDB將用戶的調(diào)試命令翻譯、打包,通過串口或者網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送至被調(diào)試程序端的GDB―SERVER。GDB―SERVER將接收到的調(diào)試命令包解包,并將其表達(dá)的調(diào)試命令實施于被調(diào)試程序。如果需要,還應(yīng)將命令執(zhí)行結(jié)果通過遠(yuǎn)程通信返回給GDB端。
2.2 GDB與GDB―SERVER
GDB和GDB―SERVER之間的數(shù)據(jù)通道上傳輸?shù)男畔⒆裱璆DB Remote Serial Protocol。它是一種簡潔的、基于ASCII的協(xié)議。每一個RSP報文由ASCII符號“$”開頭,由“#”將報文內(nèi)容和兩個字節(jié)的報文校驗隔開,如下所示:
接收方對報文進(jìn)行校驗,如果校驗成功,回復(fù)ASCII字符“+”,否則回復(fù)“一”。
通過RSP傳輸?shù)拿罘N類很多,比較常用的羅列于表1中。當(dāng)用戶使用GDB遠(yuǎn)程調(diào)試程序時,GDB將用戶的命令翻譯成若干條RSP命令的序列下達(dá)給GDB―SERVER。GDB―SERVER對命令進(jìn)行實施,并回復(fù)運行結(jié)果。作為一個能實現(xiàn)基本調(diào)試功能的GDB―SERVER,至少需要實現(xiàn)表1中列出的命令。
2.3 GDB―SERVER與被調(diào)試程序
GDB―SERVER和被調(diào)試程序之間的交互方式就比較靈活了,在沒有虛擬內(nèi)存管理的環(huán)境中可以使用指針直接訪問被調(diào)試程序的內(nèi)存,而在引入了嵌入式操作系統(tǒng)的環(huán)境中可以使用系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)。GDB―SERVER是GDB調(diào)試命令的實施者,依照GDB的調(diào)試基本需求,GDB―SERVER和被調(diào)試程序之間的交互方式只要能夠完成表1中列出的操作就可以了。
3 傳統(tǒng)STUB調(diào)試模式概述
GDB―STUB是嵌入在被調(diào)試程序中的小段程序,它肩負(fù)了和GDB通信并執(zhí)行GDB調(diào)試命令的重任??梢哉fGDB―STUB是輕量級的GDB―SERVER。它代碼量很少,在RTEMS啟動初始化階段,將它以軟中斷處理程序的身份嵌入到RTEMS之中,成為RTEMS的一部分。當(dāng)被調(diào)試程序運行到這個特殊的軟中斷時,STUB程序獲得運行的權(quán)力,和GDB進(jìn)行遠(yuǎn)程通信,執(zhí)行調(diào)試命令,直到收到被調(diào)試程序繼續(xù)執(zhí)行的命令,STUB恢復(fù)被調(diào)試程序的執(zhí)行,如圖3所示。
由于它和被調(diào)試程序融為一體,所以它可以直接訪問被調(diào)試程序的內(nèi)存地址,查詢或者修改被調(diào)試程序內(nèi)存空間的值。
此方法將RTEMS系統(tǒng)看作一個嵌入式裸板程序,可以在源碼級別對整個RTEMS系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試??梢韵胂?,此時GDB根本不知道被調(diào)試程序是一個操作系統(tǒng),一旦STUB獲得了執(zhí)行機會,整個RTEMS系統(tǒng)進(jìn)入暫停狀態(tài),無論系統(tǒng)中運行的是應(yīng)用還是系統(tǒng)內(nèi)核本身。而調(diào)試系統(tǒng)本身遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有調(diào)試系統(tǒng)中應(yīng)用程序的需求量大,在調(diào)試應(yīng)用的時候,希望只是被調(diào)試的任務(wù)暫停,系統(tǒng)中其他任務(wù)不受我們調(diào)試行為的影響。下文將介紹RTEMS任務(wù)級別的GDB遠(yuǎn)程調(diào)試方法。
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