基于Proemulator的插樁構(gòu)架研究

0引 言

由于目標(biāo)機與宿主機處理器體系結(jié)構(gòu)不同，嵌入式軟件無法在宿主機上直接運行與測試，因此嵌入式軟件的開發(fā)過程常常比硬件開發(fā)過程還要漫長，導(dǎo)致整個系統(tǒng)開發(fā)周期長，軟件功能調(diào)試和性能測試不能及時完成，軟件質(zhì)量無法保證。嵌入式模擬器能良好地解決這一問題。

將模擬器應(yīng)用到嵌入式軟件的開發(fā)與測試中，其優(yōu)點有如下幾個方面：

(1)采用模擬器進行嵌入式開發(fā)與測試能讓軟件和硬件開發(fā)同步進行，縮短開發(fā)周期；

(2)能提供比真正硬件環(huán)境下更豐富的測試環(huán)境，拓寬測試范圍；能進行長時間的測試，甚至能在真實硬件不能承受的“危險”條件下測試。

(3)能提供調(diào)試，測試，變量查看，性能分析，實驗數(shù)據(jù)存儲等多種額外功能，便于開發(fā)與測試人員進行分析。

1國內(nèi)外模擬器相關(guān)研究

國內(nèi)外已有若干較成熟的嵌入式系統(tǒng)模擬器，如ARM公司的ARMmulator，同濟大學(xué)開發(fā)的Proemulatot中針對ARM芯片的指令模擬器，清華大學(xué)Sky Eye項目中的指令模擬器，Linux上的開源軟件GDB ARMulator。

Proemulator是一個源碼開放的通用模擬器架構(gòu)，能在宿主機上以純軟件方式模擬各種硬件設(shè)備(包括CPU、輸入／輸出設(shè)備等)，也可以模擬由這些設(shè)備組成的單片機或嵌入式系統(tǒng)。它基于插件機制，主程序提供整個構(gòu)架，包括運行環(huán)境的建立、代碼的裝載和運行時內(nèi)存、寄存器、端口的查看界面等，而插件負責(zé)模擬不同硬件設(shè)備的行為和特性，并抽象成一個統(tǒng)一的接口提供給主程序調(diào)用。通過這個機制，模擬新的設(shè)備變得更為容易。Proemutator提供多種CPU插件與若干種片內(nèi)與片外外設(shè)，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。



2 基于嵌入式模擬器的插樁構(gòu)架

嵌入式測試平臺建立在嵌入式模擬器之上，測試過程中首先對被測程序進行插樁，樁節(jié)點在程序運行過程中能同步的，即時地向樁信息分析器輸出預(yù)設(shè)的樁信息。分析器能實時接收裝數(shù)據(jù)，并進行分析，從而得出整個被測程序運行過程中的覆蓋率和分支情況?；谇度胧侥M器的插樁構(gòu)架如圖2所示。


3 基于Proemulator的插樁構(gòu)架實現(xiàn)

嵌入式模擬器和樁信息分析器為兩個獨立進程，在兩者之間實現(xiàn)樁數(shù)據(jù)的傳遞，需采用進程間通信機制。常見的進程間通信方法有以下幾種：

(1)Socket通信是常見的進程間通信方法，它能良好地支持網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議TCP／IP，在進行通信時，需要設(shè)置端口，并通過幾次握手建立TCP連接，因此適合網(wǎng)絡(luò)間的大量數(shù)據(jù)傳輸，而對于單機上的少量多次數(shù)據(jù)傳輸并不合適。

(2)共享內(nèi)存的方法較為常見，對于每個進程來說，獲得共享內(nèi)存后，就能實現(xiàn)內(nèi)存的讀寫操作。但是如果不進行同步，則一個進程在進行讀的過程中另一個進程進行寫操作，就會造成數(shù)據(jù)的不一致。因此在采用共享內(nèi)存的方法時，需要將共享區(qū)域設(shè)置為臨界資源。常用的方法有信號量機制，兩個進程訪問共享內(nèi)存時，利用P，V操作進行讀寫的互斥。當(dāng)P操作成功時，才能訪問臨界區(qū)，訪問完畢后進行V操作，讓出使用權(quán)，使得別的進程能夠訪問。共享內(nèi)存的方法適合多個進程間的大量數(shù)據(jù)共享，只要處理好操作的互斥性，該方法非常實用。

(3)WM COPYDATA消息是Windows底層消息，使用非常方便，只需獲得進行通信的進程的窗口句柄，就能通過SendMessege函數(shù)將數(shù)據(jù)封裝在消息中傳遞給該進程，因為SendMessege函數(shù)在接收進程接到消息后才會返回，因此絕對不會發(fā)生消息丟失的情況，是可靠的通信。接收方只需要處理WM_COPYDATA消息，便能獲得傳遞來的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，該方法不能用于網(wǎng)絡(luò)間的傳輸，只能用于單機環(huán)境下的Windows操作系統(tǒng)。還有管道，剪貼板，文件映射等方法，本文不做詳細介紹。下面詳細介紹基于嵌入式模擬器獲取樁數(shù)據(jù)的技術(shù)難點。

3.1基于Proemulator的插樁構(gòu)架

Proemulator源碼完全開放，提供了UART插件，對外設(shè)的模擬可以簡化為對端口寄存器的模擬，當(dāng)程序訪問相應(yīng)的端口時，觸發(fā)其對應(yīng)外設(shè)的動作。UART內(nèi)部包括控制口和數(shù)據(jù)口。向控制口寫入工作方式控制字后，訪問數(shù)據(jù)口數(shù)據(jù)能觸發(fā)事件。在被測程序中進行插樁初始化，設(shè)定UART工作方式，在需要插樁的位置將樁數(shù)據(jù)寫入UART數(shù)據(jù)端口，然后在UART插件中將寫入數(shù)據(jù)端口的樁信息使用Windows進程通信機制輸出。

Proemulator提供了多種串行數(shù)據(jù)重定位的方式來將模擬器內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至外部，包括控制臺、磁盤文件、命名管道和串口。其中命名管道是一種較好的方式，只需編寫自己的管道接收器，就能實時地接收管道發(fā)送出來的樁數(shù)據(jù)，使用串口也比較方便。還能在Proemulator中加入共享內(nèi)存，或者發(fā)送WMCOPYDATA消息，基于Proemulator的插樁構(gòu)架如圖3所示。



3.2插樁構(gòu)架性能分析

本文實現(xiàn)了基于Proemulator的樁數(shù)據(jù)的發(fā)送與獲取，并進行了分析，見表1。



4結(jié) 語

本文提出基于嵌入式模擬器的插樁構(gòu)架，將插樁后的程序經(jīng)編譯生成可執(zhí)行代碼，運行于模擬器上，在運行過程中模擬器能實時地將樁信息發(fā)送到樁信息分析器，進行代碼的白盒測試。本文基于已有的嵌入式模擬器Proemulator實現(xiàn)了樁數(shù)據(jù)獲取?；谇度胧侥M器的插樁架均能即時地進行樁數(shù)據(jù)的發(fā)送接收與分析，能有效進行白盒測試。