嵌入式操作系統的調試問(wèn)題及解決方法
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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(hù)通過(guò)設置調試許
可寄存器（debug enable register）來(lái)指定哪些中斷或異常發(fā)生后處理器直接進(jìn)入調試狀態(tài)，而不是操作系統的處理程序。進(jìn)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聽(tīng)的主機調試器，然后調試器便可通過(guò)調試模塊使處理器執行任意系統指令（相當于特權態(tài)）。所有指令均通過(guò)調試模塊獲取，所有load/store 均直接訪(fǎng)問(wèn)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(gè)特殊寄存器DPDR，通過(guò)mtspr和mfspr指令訪(fǎng)問(wèn)。調試器向處理器送rfi(return from interrupt)指令便結束調試狀態(tài)，被調試程序繼續運行。
與插樁方式的缺點(diǎn)相對應，OCD不占用目標平臺的通信端口，無(wú)需修改目標操作系統，能調試目標操作系統的啟動(dòng)過(guò)程，大大方便了系統開(kāi)發(fā)人員。隨之而來(lái)的缺點(diǎn)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多任務(wù)的識別、控制等模塊，還要針對使用同一芯片的不同開(kāi)發(fā)板編寫(xiě)各類(lèi)ROM、RAM的初始化程序。
下面就以調試運行于MPC860的LINUX為例，說(shuō)明用OCD方式調試OS 啟動(dòng)的某些關(guān)鍵細節。
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中的指令執行之前獲得系統的控制權，即進(jìn)入調試狀態(tài)、設斷點(diǎn)，這樣才能開(kāi)展調試過(guò)程。MPC860的EPBDM提供了這一手段。
MPC860沒(méi)有類(lèi)似X86的INT 3那樣能產(chǎn)生特定調試陷阱異常的指令，而操作系統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(shí)應盡量設置硬件斷點(diǎn)，而不是利用非法指令產(chǎn)生異常的軟斷點(diǎn)。
LINUX實(shí)現了虛存管理，嵌入式LINUX往往也有這一功能。地址空間從實(shí)到虛的轉換在內核啟動(dòng)過(guò)程中便完成了，不論調試內核還是應用程序，調試器都無(wú)法回避對目標系統虛地址空間的訪(fǎng)問(wèn)，否則斷點(diǎn)命中時(shí)根本無(wú)法根據程序計數器的虛地址顯示當前指令，更不用說(shuō)訪(fǎng)問(wèn)變量了。由于調試狀態(tài)下轉換旁視緩沖器（Translation Lookaside Buffer）無(wú)法利用，只能仿照LINUX內核TLB失效時(shí)的異常處理程序，根據虛地址中的頁(yè)表索引位訪(fǎng)問(wèn)特定寄存器查兩級頁(yè)表得出物理頁(yè)面號，從而完成虛實(shí)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(fǎng)問(wèn)數據之間的沖突），二者的TLB也分離設置；然而TLB失效時(shí)查找頁(yè)表計算物理地址的過(guò)程是相同的，因為頁(yè)表只有一個(gè)，不存在指令、數據分離的問(wèn)題。虛實(shí)地址轉換這一任務(wù)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，一般不會(huì )有外存設備，不必考慮內存訪(fǎng)問(wèn)缺頁(yè)的情況，所以增加的工作量并不大。
深入話(huà)題
傳統的調試方法可概括為如下過(guò)程：設斷點(diǎn)--程序暫停--觀(guān)察程序狀態(tài)--繼續運行。被調試的如果是實(shí)時(shí)系統，即使調試器支持批處理命令避免了用戶(hù)輸入命令、觀(guān)察結果帶來(lái)的延遲，它與目標系統之間的通信也完全可能錯過(guò)對目標平臺外設信號的響應。于是，針對某些調試器（如GDB）提供的監視點(diǎn)（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(jìn)，稱(chēng)為代理（agent）。調試時(shí)用戶(hù)首先在調試器設置監視點(diǎn)，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(jiǎn)單的字節碼，傳送至代理。程序運行后命中監視點(diǎn)、喚醒代理，代理根據字節碼記錄用戶(hù)所需數據存入特定緩沖區（不僅僅是表達式的最終結果，還有中間結果），令程序繼續運行；這一步驟無(wú)需與調試器通信。當調試器再度得到控制時(shí)，就可以發(fā)出命令，向代理查詢(xún)歷次監視記錄。較之于插樁，代理增加了對接受到的字節碼的分析模塊，相應的目標代碼體積只有大約3K字節；當然，監視記錄緩沖區也要占用目標平臺的存儲空間，不過(guò)緩沖區的大小可在代理生成時(shí)由用戶(hù)決定?？傊?，這一改進(jìn)以有限的目標系統資源為代價(jià)，為實(shí)時(shí)監視提供了一個(gè)低成本的可行方案。
調試并不僅僅意味著(zhù)設斷點(diǎn)--程序暫停--觀(guān)察--繼續這一過(guò)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(shù)進(jìn)步卻為這些調試手段的實(shí)行帶來(lái)了困難。以跟蹤為例，其目的無(wú)非是記錄真實(shí)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(shí)取指這一操作大多在芯片內部針對指令緩存進(jìn)行，芯片外部總線(xiàn)上只能觀(guān)察到多條指令的預?。╬refetch），預取的指令并不一定執行（由于跳轉等原因）；另外，指令往往經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)調度后在流水線(xiàn)中亂序執行，如何再現其原始順序也是個(gè)問(wèn)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(xiàn)（相當于禁用緩存與流水線(xiàn)）。這樣一來(lái)，跟蹤容易多了，處理器性能也大大降低了，根本不適用于實(shí)時(shí)要求嚴格的系統。
編譯器自動(dòng)在指定的分支及函數出入口插入對特定內存區域的寫(xiě)指令（與gprof等profiling工具采用的手段類(lèi)似），它們都是不通過(guò)緩存而直接向內存寫(xiě)的，這就能反映于芯片外總線(xiàn)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(shí)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。該方案對系統性能影響最小。
總之，處理器廠(chǎng)家提供集成于片內的調試電路為高檔嵌入式系統開(kāi)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(lǐng)域標準化的需要，一些處理器廠(chǎng)家、工具開(kāi)發(fā)公司和儀器制造商于1998年組成了Nexus 5001 Forum，這是一個(gè)旨在為嵌入式控制應用產(chǎn)生和定義嵌入式處理器調試接口標準的聯(lián)合組織，以前的名稱(chēng)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(huì )）。Nexus現在有24個(gè)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(chē)動(dòng)力應用所需要的調試，現在已發(fā)展成為調試數據通信、無(wú)線(xiàn)系統和其他實(shí)時(shí)嵌入式應用的通用接口。 本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/149244.htm linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）
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