S698系列處理器軟件調(diào)試工具V8MON的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

　　1 引言

　　在嵌入式軟件開發(fā)中，調(diào)試是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，調(diào)試工具是衡量軟件開發(fā)環(huán)境優(yōu)劣的重要因素?？梢哉f嵌入式交叉調(diào)試器是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者使用最多的工具，也是整個(gè)開發(fā)周期中使用時(shí)間最長的工具。

　　目前基于SPARC核的嵌入式處理器已經(jīng)成為歐美市場(chǎng)的主流，2003年珠海歐比特控制工程股份有限公司成功研制出國內(nèi)第一款SPARC V8架構(gòu)32位嵌入式處理器S698，經(jīng)過幾年發(fā)展，S698已成為系列化產(chǎn)品，有軍品級(jí)、商業(yè)級(jí)、多處理器類型等，并廣泛應(yīng)用于國防、航空、通信等領(lǐng)域。

　　V8MON是歐比特公司自主研發(fā)的基于S698系列處理器的軟件調(diào)試器，可以運(yùn)行于Windows以及Linux平臺(tái)，具有使用簡(jiǎn)捷、接口豐富等特點(diǎn)，同時(shí)也可運(yùn)用于其它SPARC V8架構(gòu)的處理器平臺(tái)。V8MON的調(diào)試功能主要包括：程序下載、運(yùn)行、內(nèi)存讀寫、反匯編、斷點(diǎn)設(shè)置、數(shù)據(jù)跟蹤等。

　　2 調(diào)試原理

　　2.1 交叉調(diào)試

　　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。調(diào)試嵌入式系統(tǒng)時(shí)，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(yùn)行在宿主機(jī)上，而被調(diào)試程序運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上，宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間通過某種媒介進(jìn)行通信。通常情況下，還要在目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行一個(gè)稱為調(diào)試代理(Debug Agent)的監(jiān)控程序，由它來負(fù)責(zé)與運(yùn)行在宿主機(jī)上的調(diào)試器進(jìn)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(shí)反饋給調(diào)試器。

　　使用調(diào)試代理軟件的最大的缺點(diǎn)是占用目標(biāo)系統(tǒng)的資源，消耗處理器時(shí)間，造成應(yīng)用程序的最終運(yùn)行環(huán)境和調(diào)試環(huán)境有差異，且影響被調(diào)試程序的運(yùn)行。目前一些高端處理器都內(nèi)置有硬件調(diào)試邏輯單元，可以通過硬件方式完成調(diào)試過程中的通訊、控制工作，且不占用系統(tǒng)資源，不影響程序的運(yùn)行，不需要調(diào)試代理程序的參與。

　　S698系列處理器的內(nèi)部就集成有調(diào)試單元DSU(Debug Support Unit)，DSU可以獨(dú)立于IU處理單元在內(nèi)部AHB總線上產(chǎn)生讀寫時(shí)序，所以可以直接到訪問處理器上的各種資源(如內(nèi)存空間、片內(nèi)寄存器、ROM地址等)。

　　V8MON調(diào)試器運(yùn)行在主機(jī)端，通過串口、以太網(wǎng)等方式與目標(biāo)硬件系統(tǒng)相連，通過收送指令的方式與DSU調(diào)試單元進(jìn)行交互，從而完成對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的調(diào)試?？梢钥吹竭@種調(diào)試模式無需在硬件系統(tǒng)上燒寫監(jiān)控調(diào)試軟件，也不需要借助硬件仿真器，甚至不需要硬件處理單元的參與。V8MON除了與DSU通訊之外，還要完成對(duì)人機(jī)接口，以及文件解析、GDB協(xié)議分析等功能，其完整的模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 V8MON連接結(jié)構(gòu)圖

　　V8MON不僅可以設(shè)置軟件斷點(diǎn)(指令級(jí)中斷)，還可以設(shè)置硬件斷點(diǎn)。通過寫DSU調(diào)試單元中斷點(diǎn)寄存器的值可以進(jìn)行硬件斷點(diǎn)設(shè)置，V8MON不僅對(duì)地址還可以對(duì)數(shù)據(jù)以及總線的信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的觸發(fā)控制設(shè)定，從而滿足對(duì)特定事件的中斷響應(yīng)，增加了靈活性，同時(shí)可以在ROM中設(shè)置斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)，極大地方便調(diào)試。

　　V8MON還提供追蹤功能，可以不停止CPU的運(yùn)行而實(shí)時(shí)監(jiān)視芯片總線的信息，這些信息存儲(chǔ)在處理器內(nèi)部的trace buffer中， V8MON可以隨時(shí)讀取這些信息，從而根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息重現(xiàn)處理器的歷史狀態(tài)、數(shù)據(jù)以及程序流程等。合理使用此功能，用戶可以得到細(xì)致、準(zhǔn)確的運(yùn)行分析數(shù)據(jù)，而又不必借助任何硬件設(shè)備，可以大大降低分析的成本。

　　2.2 gdb連接

　　V8MON有兩種操作模式：命令行模式和GDB模式。在命令行模式下，V8MON命令通過窗口終端控制臺(tái)手工輸入，V8MON通過DSU協(xié)議把指令傳輸給目標(biāo)系統(tǒng)DSU調(diào)試單元;在GDB模式下，V8MON作為一個(gè)網(wǎng)關(guān)，V8MON首先把客戶端通過遠(yuǎn)程GDB協(xié)議發(fā)過來的GDB命令翻譯為調(diào)試指令，再通過DSU協(xié)議把調(diào)試指令傳輸給目標(biāo)系統(tǒng)DSU調(diào)試單元。

　　Gdb是GNU軟件序列中的調(diào)試工具，Gdb可以調(diào)試各種程序，包括C、C++、JAVA、PASCAL、FORAN和一些其它的語言，支持現(xiàn)有的大部分處理器平臺(tái)，即可用于上位機(jī)軟件調(diào)試，也可用于嵌入式軟件交叉調(diào)試。

　　V8MON通過標(biāo)準(zhǔn)socket接口與gdb連接，V8MON為socket服務(wù)器端，gdb為客戶端。V8MON和gdb可以在同一個(gè)PC機(jī)上運(yùn)行，也可以在兩臺(tái)不同的PC上運(yùn)行，這兩臺(tái)機(jī)器之間通過以太網(wǎng)相連;連接后用戶可以在主機(jī)上用gdb對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，V8MON在目標(biāo)系統(tǒng)與gdb之間進(jìn)行命令轉(zhuǎn)換，起到橋梁紐帶作用。

　　圖2 V8MON GDB模式調(diào)試原理框圖

　　采用gdb調(diào)試更關(guān)注于軟件本身，較適合對(duì)大型應(yīng)用軟件的調(diào)試，用戶可以在高級(jí)語言層面調(diào)試應(yīng)用程序，如查看變量，源代碼級(jí)單步執(zhí)行等。同時(shí)可以進(jìn)一步將gdb調(diào)試內(nèi)嵌到到集成開發(fā)環(huán)境中，從而獲得更直觀、更友好的人機(jī)界面，此時(shí)用戶的操作全部是在圖形界面下完成，無需了解V8MON的任何操作細(xì)節(jié)。

　　3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　V8MON大部分由C語言編寫，使用gcc編譯器編譯生成，鏈接了readline、pthread等系統(tǒng)庫，并且對(duì)gdbserver、utils等開源軟件包進(jìn)行了移植。以下是工程的主Makefile文件內(nèi)容：

　　V8MON內(nèi)部可以分為3層，包括：命令層，調(diào)試驅(qū)動(dòng)層和調(diào)試接口層。

　　(1) 命令層：由命令解析器組成，可以解析一般通用的用戶命令以及GDB命令，例如：下載、運(yùn)行等。

　　(2) 調(diào)試驅(qū)動(dòng)層：實(shí)現(xiàn)特殊的命令，這些命令與目標(biāo)處理器的構(gòu)造相關(guān)。V8MON在啟動(dòng)的時(shí)候會(huì)掃描目標(biāo)硬件，檢測(cè)當(dāng)前處理器類型及其配置，如果是支持的處理器，調(diào)試驅(qū)動(dòng)層激活，可以執(zhí)行特殊的調(diào)試命令。

　　(3) 接口驅(qū)動(dòng)層：實(shí)現(xiàn)調(diào)試連接協(xié)議(DSU protocol)，通過協(xié)議與目標(biāo)系統(tǒng)的DSU單元通訊。

　　可以看到V8MON的主要工作就是命令/協(xié)議的解析以及傳遞，完成數(shù)據(jù)流由用戶接口到目標(biāo)系統(tǒng)之間的雙向傳輸。下圖指明V8MON內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳遞流程，方框中是各協(xié)議層數(shù)據(jù)的原始模型;示例條件為：gdb工作模式，通過串口連接目標(biāo)系統(tǒng)，用戶輸入內(nèi)存查看命令。

　　圖3 V8MON內(nèi)部數(shù)據(jù)流

　　4 應(yīng)用舉例

　　通過V8MON的命令行操作，用戶可以開速、簡(jiǎn)捷的完成調(diào)試操作，V8MON的主要操作項(xiàng)如下文。

　　4.1 文件下載

　　通過load命令可以將一個(gè)SPARC V8體系的應(yīng)用程序下載到目標(biāo)系統(tǒng)中：

　　V8MON支持的文件格式為elf32-sparc。V8MON內(nèi)建的ELF解析器，可以將程序的每個(gè)功能段正確的下載到對(duì)應(yīng)的鏈接地址上，下載完成后程序運(yùn)行時(shí)的%pc指針指向程序的入口地址。下載過程中，控制臺(tái)將輸出段地址、段字節(jié)大小、程序入口地址等信息。

　　4.2 程序運(yùn)行

　　運(yùn)行程序之前，必須先下載程序，而下載的程序必須確保是經(jīng)過sparc-rtems或sparc-elf工具鏈編譯得到。

　　目標(biāo)系統(tǒng)的UART1用來輸出應(yīng)用程序的打印信息，這些信息并不能從V8MON的控制臺(tái)顯示，而如果使用-u參數(shù)啟動(dòng)V8MON，V8MON將初始化目標(biāo)系統(tǒng)的UART1為回采模式，這樣DSU單元可以讀到從UART1輸出的信息，進(jìn)而可以在V8MON控制臺(tái)上把這些信息顯示出來。

　　4.3 插入斷點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)

　　程序下載完后，可以通過break或hbreak命令設(shè)置斷點(diǎn)，其中break命令用來添加一個(gè)軟斷點(diǎn)(ta 1)，而hbreak命令是通過IU單元的watchpoint寄存器添加插入一個(gè)硬斷點(diǎn)，在調(diào)試只讀代碼(如程序在ROM中運(yùn)行)時(shí)只能使用硬斷點(diǎn)。

　　一個(gè)斷點(diǎn)只能作用于一個(gè)字的地址，當(dāng)程序運(yùn)行到此地址時(shí)，系統(tǒng)切換到調(diào)試模式。軟斷點(diǎn)可以設(shè)置在基于RAM的代碼段的任何位置，包括禁止trap的區(qū)域(如trap處理函數(shù)中);S698處理器提供兩個(gè)硬斷點(diǎn)，設(shè)置硬斷點(diǎn)將凍結(jié)系統(tǒng)的trace buffer。

　　例如添加斷點(diǎn)命令：

　
　　查看寄存器

　　在命令行下可以隨時(shí)輸入reg命令查看所有窗口寄存器的當(dāng)前值：

　　也可以使用 reg wn命令查看指定窗口寄存器的值，其中n表示窗口號(hào)。使用float指令可以查看FPU寄存器的值(存在FPU運(yùn)算單元的前提下)。

　　4.4 查看內(nèi)存

　　可以通過mem命令查看任何內(nèi)存地址上的內(nèi)容，mem命令的參數(shù)包括目標(biāo)地址和長度，這兩個(gè)參數(shù)都可以缺省。如果符號(hào)表被加載，可以使用文本符號(hào)代替地址。

　　用戶也可以通過disas命令將內(nèi)存中的內(nèi)容反匯編成SPARC V8機(jī)器指令進(jìn)行顯示。

　　4.5 使用trace buffer

　　處理器中的trace buffer用來保存最近的執(zhí)行指令以及最近的AHB總線上的傳輸數(shù)據(jù)，V8MON啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)使能trace buffer，啟動(dòng)后用戶也可以通過tmode命令使能或禁止trace buffer。ahb/inst/hist分別用來顯示trace buffer中的內(nèi)容。trace buffer在調(diào)試時(shí)可以起到輔助作用。

　　4.6 多處理器支持

　　在多核處理器(例如S698P4)系統(tǒng)中，可以使用cpu命令來切換各處理器的調(diào)試狀態(tài)。在對(duì)稱多核處理器中，處理器的編號(hào)為0～n-1，n表示處理器個(gè)數(shù)。每個(gè)處理器可以設(shè)置為使能、禁止兩種狀態(tài)，處理器使能后，將響應(yīng)run、cont、go等命令。當(dāng)處理器禁止時(shí)，將處于掛起狀態(tài)，不響應(yīng)V8MON的任何指令。使用cpu enable n 命令將使能對(duì)應(yīng)處理器，cpu disable n 命令將禁止對(duì)應(yīng)處理器。系統(tǒng)允許同時(shí)有多個(gè)處理器被使能，但同時(shí)只能有一個(gè)處理器被激活。所有的調(diào)試命令如查看寄存器、增加斷點(diǎn)等只對(duì)被激活的處理器有效。

　　可以使用gdb來調(diào)試多處理器系統(tǒng)，gdb連接后，當(dāng)前被激活的處理器負(fù)責(zé)接收gdb命令。

　　5 結(jié)束語

　　調(diào)試器不僅是軟件除錯(cuò)的工具，也是硬件除錯(cuò)必不可少的工具，選好調(diào)試器、用好調(diào)試器、理解調(diào)試器的原理對(duì)嵌入式開發(fā)工作都大有裨益。調(diào)試技術(shù)的理論基礎(chǔ)并不復(fù)雜，但是調(diào)試本身卻是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的技術(shù)，只有在不斷的實(shí)際操作中才能取得進(jìn)步，希望本文的講解能夠起到拋磚引玉的作用，引導(dǎo)讀者進(jìn)入S698調(diào)試開發(fā)之門。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 珠海歐比特控制工程股份有限公司. V8MON用戶手冊(cè). 2009.

　　[2] 珠海歐比特控制工程股份有限公司. S698-MIL芯片用戶手冊(cè). 2011.

　　[3] 珠海歐比特控制工程股份有限公司. ORION4.0 用戶手冊(cè). 2005

　　[4] THE SPARC-V8 ARCHITECTURE MANUAL, Version 8. SPARC International.

　　[5] 蔣曉華，李付海，祁波. SPARC體系的S698系列SoC及其應(yīng)用[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2007, 8: 84-85.

　　[6] 龔永紅，梅衛(wèi)平，蔣曉華，唐芳福等. 32位嵌入式處理器S698的SPARC V8指令集[J]. 新特器件應(yīng)用，2007,11:25-28.

　　[7] 蔣曉華，梁寶玉，王祝金，顏軍. S698系列處理器中指令流水的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 半導(dǎo)體技術(shù)，2009,1:24-26.