基于Proemulator的插樁構架研究

0引 言

由于目標機與宿主機處理器體系結構不同，嵌入式軟件無(wú)法在宿主機上直接運行與測試，因此嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程常常比硬件開(kāi)發(fā)過(guò)程還要漫長(cháng)，導致整個(gè)系統開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，軟件功能調試和性能測試不能及時(shí)完成，軟件質(zhì)量無(wú)法保證。嵌入式模擬器能良好地解決這一問(wèn)題。

將模擬器應用到嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)與測試中，其優(yōu)點(diǎn)有如下幾個(gè)方面：

(1)采用模擬器進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)與測試能讓軟件和硬件開(kāi)發(fā)同步進(jìn)行，縮短開(kāi)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(jìn)行長(cháng)時(shí)間的測試，甚至能在真實(shí)硬件不能承受的“危險”條件下測試。

(3)能提供調試，測試，變量查看，性能分析，實(shí)驗數據存儲等多種額外功能，便于開(kāi)發(fā)與測試人員進(jìn)行分析。

1國內外模擬器相關(guān)研究

國內外已有若干較成熟的嵌入式系統模擬器，如ARM公司的ARMmulator，同濟大學(xué)開(kāi)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(kāi)源軟件GDB ARMulator。

Proemulator是一個(gè)源碼開(kāi)放的通用模擬器架構，能在宿主機上以純軟件方式模擬各種硬件設備(包括CPU、輸入／輸出設備等)，也可以模擬由這些設備組成的單片機或嵌入式系統。它基于插件機制，主程序提供整個(gè)構架，包括運行環(huán)境的建立、代碼的裝載和運行時(shí)內存、寄存器、端口的查看界面等，而插件負責模擬不同硬件設備的行為和特性，并抽象成一個(gè)統一的接口提供給主程序調用。通過(guò)這個(gè)機制，模擬新的設備變得更為容易。Proemutator提供多種CPU插件與若干種片內與片外外設，結構圖如圖1所示。



2 基于嵌入式模擬器的插樁構架

嵌入式測試平臺建立在嵌入式模擬器之上，測試過(guò)程中首先對被測程序進(jìn)行插樁，樁節點(diǎn)在程序運行過(guò)程中能同步的，即時(shí)地向樁信息分析器輸出預設的樁信息。分析器能實(shí)時(shí)接收裝數據，并進(jìn)行分析，從而得出整個(gè)被測程序運行過(guò)程中的覆蓋率和分支情況?；谇度胧侥M器的插樁構架如圖2所示。


3 基于Proemulator的插樁構架實(shí)現

嵌入式模擬器和樁信息分析器為兩個(gè)獨立進(jìn)程，在兩者之間實(shí)現樁數據的傳遞，需采用進(jìn)程間通信機制。常見(jiàn)的進(jìn)程間通信方法有以下幾種：

(1)Socket通信是常見(jiàn)的進(jìn)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(jìn)行通信時(shí)，需要設置端口，并通過(guò)幾次握手建立TCP連接，因此適合網(wǎng)絡(luò )間的大量數據傳輸，而對于單機上的少量多次數據傳輸并不合適。

(2)共享內存的方法較為常見(jiàn)，對于每個(gè)進(jìn)程來(lái)說(shuō)，獲得共享內存后，就能實(shí)現內存的讀寫(xiě)操作。但是如果不進(jìn)行同步，則一個(gè)進(jìn)程在進(jìn)行讀的過(guò)程中另一個(gè)進(jìn)程進(jìn)行寫(xiě)操作，就會(huì )造成數據的不一致。因此在采用共享內存的方法時(shí)，需要將共享區域設置為臨界資源。常用的方法有信號量機制，兩個(gè)進(jìn)程訪(fǎng)問(wèn)共享內存時(shí)，利用P，V操作進(jìn)行讀寫(xiě)的互斥。當P操作成功時(shí)，才能訪(fǎng)問(wèn)臨界區，訪(fǎng)問(wèn)完畢后進(jìn)行V操作，讓出使用權，使得別的進(jìn)程能夠訪(fǎng)問(wèn)。共享內存的方法適合多個(gè)進(jìn)程間的大量數據共享，只要處理好操作的互斥性，該方法非常實(shí)用。

(3)WM COPYDATA消息是Windows底層消息，使用非常方便，只需獲得進(jìn)行通信的進(jìn)程的窗口句柄，就能通過(guò)SendMessege函數將數據封裝在消息中傳遞給該進(jìn)程，因為SendMessege函數在接收進(jìn)程接到消息后才會(huì )返回，因此絕對不會(huì )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(lái)的數據。當然，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。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據的技術(shù)難點(diǎn)。

3.1基于Proemulator的插樁構架

Proemulator源碼完全開(kāi)放，提供了UART插件，對外設的模擬可以簡(jiǎn)化為對端口寄存器的模擬，當程序訪(fǎng)問(wèn)相應的端口時(shí)，觸發(fā)其對應外設的動(dòng)作。UART內部包括控制口和數據口。向控制口寫(xiě)入工作方式控制字后，訪(fǎng)問(wèn)數據口數據能觸發(fā)事件。在被測程序中進(jìn)行插樁初始化，設定UART工作方式，在需要插樁的位置將樁數據寫(xiě)入UART數據端口，然后在UART插件中將寫(xiě)入數據端口的樁信息使用Windows進(jìn)程通信機制輸出。

Proemulator提供了多種串行數據重定位的方式來(lái)將模擬器內部的數據信息發(fā)送至外部，包括控制臺、磁盤(pán)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(xiě)自己的管道接收器，就能實(shí)時(shí)地接收管道發(fā)送出來(lái)的樁數據，使用串口也比較方便。還能在Proemulator中加入共享內存，或者發(fā)送WMCOPYDATA消息，基于Proemulator的插樁構架如圖3所示。



3.2插樁構架性能分析

本文實(shí)現了基于Proemulator的樁數據的發(fā)送與獲取，并進(jìn)行了分析，見(jiàn)表1。



4結 語(yǔ)

本文提出基于嵌入式模擬器的插樁構架，將插樁后的程序經(jīng)編譯生成可執行代碼，運行于模擬器上，在運行過(guò)程中模擬器能實(shí)時(shí)地將樁信息發(fā)送到樁信息分析器，進(jìn)行代碼的白盒測試。本文基于已有的嵌入式模擬器Proemulator實(shí)現了樁數據獲取?；谇度胧侥M器的插樁架均能即時(shí)地進(jìn)行樁數據的發(fā)送接收與分析，能有效進(jìn)行白盒測試。