丁呂繁，陳瑋彤，王俊翔，楊曦

（1.四川大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 成都 610041；2.成都創(chuàng)騰軟件有限公司，四川 成都 610095）

0 引言

為突破國外組織、機(jī)構(gòu)對(duì)操作系統(tǒng)配套軟件集成開發(fā)環(huán)境的壟斷，彌補(bǔ)國內(nèi)研發(fā)的操作系統(tǒng)軟件生態(tài)不成熟、國內(nèi)研發(fā)的操作系統(tǒng)對(duì)國產(chǎn)處理器支持不充分的問題，本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于OSGi規(guī)范的嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境平臺(tái)。該嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境支持銀河麒麟操作系統(tǒng)，可以運(yùn)行在國產(chǎn)飛騰處理器上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)嵌入式軟件開發(fā)過程的信息創(chuàng)新，在自主運(yùn)行環(huán)境上突破代碼編輯、管理、編譯、項(xiàng)目管理、過程控制、項(xiàng)目發(fā)布、代碼調(diào)試、覆蓋率分析、性能優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)。

嵌入式軟件因其實(shí)用性和靈活性，在近年來越來越受到人們的歡迎[1]，而嵌入式平臺(tái)的軟件開發(fā)與桌面軟件開發(fā)有很大的不同，其一般需要使用交叉編譯和交叉調(diào)試環(huán)境，這意味著需要在宿主機(jī)上實(shí)現(xiàn)代碼的編譯，而代碼的運(yùn)行則是在目標(biāo)機(jī)上，這使得編譯和調(diào)試的過程更加復(fù)雜[2]。在一個(gè)軟件的開發(fā)周期中，軟件調(diào)試需要的時(shí)間往往占總開發(fā)時(shí)間的一半以上，一個(gè)好的調(diào)試環(huán)境可以極大地加快軟件的開發(fā)速度[3]。

雖然目前已有少量針對(duì)國內(nèi)研發(fā)的操作系統(tǒng)的交叉調(diào)試軟件[4]，但是總體來看，國內(nèi)研發(fā)的操作系統(tǒng)下的交叉調(diào)試軟件還是不足。針對(duì)目前在適配國內(nèi)研發(fā)的操作系統(tǒng)中嵌入式軟件開發(fā)工具的缺失，開發(fā)了一個(gè)適用于國產(chǎn)銀河麒麟操作系統(tǒng)的嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境。在本文中，主要描述了嵌入式開發(fā)環(huán)境的調(diào)試部分，詳細(xì)介紹了實(shí)現(xiàn)調(diào)試功能的各個(gè)組件及其功能，說明了調(diào)試流程的運(yùn)行原理，最后給出了調(diào)試過程的圖形化界面。

1 Eclipse平臺(tái)

1.1 Eclipse基礎(chǔ)框架

Eclipse項(xiàng)目是一個(gè)由多個(gè)軟件公司參與研究和推廣的通用集成開發(fā)環(huán)境，是一個(gè)開放源代碼的、使用Java開發(fā)的可擴(kuò)展開發(fā)平臺(tái)，其核心是動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)插件（Plugin）的體系結(jié)構(gòu)[5]。Eclipse采用以O(shè)SGi規(guī)范為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)微內(nèi)核，該微內(nèi)核負(fù)責(zé)處理基本環(huán)境的后臺(tái)工作，其余工作由按規(guī)范開發(fā)的插件完成。

Eclipse由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，包括平臺(tái)運(yùn)行庫（Platform Runtime）、工作區(qū)（workspace）、工作臺(tái)（workbench）、圖形API（SWT/JFace）、Java開發(fā)環(huán)境插件（JDT）、插件開發(fā)環(huán)境（PDE）等核心部分[6]。圖1為Eclipse的體系結(jié)構(gòu)。

圖1 Eclipse 體系結(jié)構(gòu)

通過集成來自不同供應(yīng)商的插件，Eclipse可以不斷擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)各種不同的功能。各個(gè)工具建造者通過構(gòu)建符合Eclipse要求的插件來擴(kuò)展Eclipse的功能[7]。

Eclipse目前已經(jīng)成為編寫嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境的主流平臺(tái)，包含了嵌入式軟件開發(fā)調(diào)試過程中的各種工具，如源代碼編輯、項(xiàng)目構(gòu)建、交叉運(yùn)行、交叉調(diào)試、交叉測試等。

1.2 Eclipse插件技術(shù)

Eclipse平臺(tái)的子系統(tǒng)都依靠插件的形式實(shí)現(xiàn)，插件是一種按照指定應(yīng)用程序接口規(guī)范編寫的程序。插件技術(shù)使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰明了，提高了可維護(hù)性和移植性，便于調(diào)整系統(tǒng)功能，每個(gè)插件之間的連接關(guān)系是通過聲明擴(kuò)展點(diǎn)和擴(kuò)展其它插件聲明的擴(kuò)展點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的[8]。

當(dāng)Eclipse啟動(dòng)時(shí)，平臺(tái)運(yùn)行庫（Platform Runtime）將掃描Plugins目錄下所有插件，然后將插件逐個(gè)添加到注冊(cè)表中，但此時(shí)并不會(huì)激活系統(tǒng)注冊(cè)表中的插件，而是僅僅加載各個(gè)插件的配置文件中的信息，只有當(dāng)用戶在使用過程中真正需要某個(gè)插件時(shí)，平臺(tái)才會(huì)將該插件的執(zhí)行文件調(diào)入內(nèi)存并激活使用。這種機(jī)制可以有效避免內(nèi)存浪費(fèi)，當(dāng)該插件不再使用時(shí)，系統(tǒng)將適時(shí)將其清除出內(nèi)存。

擴(kuò)展點(diǎn)在Eclipse中作為一個(gè)松耦合的功能模塊被廣泛使用。在開發(fā)插件時(shí)，開發(fā)人員需要在插件清單中聲明所開發(fā)插件的擴(kuò)展點(diǎn)，提供接口和相關(guān)類的最小集合供他人使用。當(dāng)其它插件需要使用到該插件時(shí)，需要聲明該擴(kuò)展點(diǎn)的擴(kuò)展項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)其接口，并引用提供的類或基于提供的類進(jìn)行創(chuàng)建。

1.3 GDB調(diào)試器

GBD是GNU開源組織發(fā)布的跨平臺(tái)源碼級(jí)調(diào)試工具，可以用于C/C++等程序的跟蹤調(diào)試。在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，開發(fā)人員能夠使用GDB以遠(yuǎn)程調(diào)試的方式控制目標(biāo)機(jī)上的程序，實(shí)現(xiàn)單步運(yùn)行、設(shè)置斷點(diǎn)、查看內(nèi)存信息、和目標(biāo)平臺(tái)交換信息等功能。GDB可以和目標(biāo)機(jī)進(jìn)行高效的交互，其在遠(yuǎn)程調(diào)試的動(dòng)態(tài)性和實(shí)時(shí)性等方面也有明顯優(yōu)勢[9]。

使用GDB調(diào)試器連接目標(biāo)機(jī)時(shí)，可以使用通信端口或者TCP/IP的方式進(jìn)行通信。在進(jìn)行主從通信時(shí)，需要在目標(biāo)機(jī)上維持一個(gè)進(jìn)程，稱之為目標(biāo)機(jī)代理，其作用是執(zhí)行從宿主機(jī)調(diào)試器發(fā)送過來的調(diào)試命令，并及時(shí)向宿主機(jī)調(diào)試器反饋目標(biāo)機(jī)的狀態(tài)信息和異常事件。宿主機(jī)調(diào)試器與目標(biāo)機(jī)代理之間的通信遵循“GDB遠(yuǎn)程串行協(xié)議”，簡稱“GDB RSP協(xié)議”[10]。

2 基于Equinox OSGi框架的交叉調(diào)試環(huán)境的實(shí)現(xiàn)

2.1 交叉調(diào)試結(jié)構(gòu)

本嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境的交叉調(diào)試功能由三個(gè)模塊構(gòu)成，分別為“目標(biāo)機(jī)管理”、“調(diào)試環(huán)境”、“控制臺(tái)”，調(diào)試模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。在我們實(shí)現(xiàn)的信息創(chuàng)新集成開發(fā)環(huán)境中，宿主機(jī)搭載了使用國產(chǎn)飛騰處理器的銀河麒麟操作系統(tǒng)，目標(biāo)機(jī)搭載了使用國產(chǎn)龍芯處理器的嵌入式操作系統(tǒng)。

圖2 調(diào)試模塊結(jié)構(gòu)

2.1.1 目標(biāo)機(jī)管理

“目標(biāo)機(jī)管理”模塊是宿主機(jī)調(diào)試類工具和目標(biāo)機(jī)服務(wù)器進(jìn)行通信的中心，由“遠(yuǎn)程系統(tǒng)管理插件”和“目標(biāo)機(jī)服務(wù)器”構(gòu)成?！斑h(yuǎn)程系統(tǒng)管理插件”提供目標(biāo)機(jī)連接的創(chuàng)建、刪除、連接、斷開等功能，“目標(biāo)機(jī)服務(wù)器”用于實(shí)現(xiàn)宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間數(shù)據(jù)的路由和交換功能，可通過網(wǎng)絡(luò)方式為遠(yuǎn)程宿主機(jī)提供調(diào)試服務(wù)。

其提供以下功能：①目標(biāo)機(jī)連接管理，提供圖形化的用戶界面對(duì)目標(biāo)機(jī)連接進(jìn)行管理；②支持物理通信連接復(fù)用，可在單一物理連接上實(shí)現(xiàn)多個(gè)邏輯連接；③多目標(biāo)機(jī)連接，支持一臺(tái)宿主機(jī)同時(shí)連接多臺(tái)目標(biāo)機(jī)；④目標(biāo)機(jī)共享，支持遠(yuǎn)程宿主機(jī)利用本地宿主機(jī)作為跳板，連接目標(biāo)機(jī)。

2.1.2 調(diào)試環(huán)境

調(diào)試環(huán)境提供從宿主機(jī)下載執(zhí)行程序到目標(biāo)機(jī)的功能以及在宿主機(jī)上控制目標(biāo)機(jī)上代碼運(yùn)行的功能。在宿主機(jī)的源代碼上設(shè)置斷點(diǎn)，通過調(diào)試環(huán)境可以控制目標(biāo)機(jī)運(yùn)行到斷點(diǎn)處暫停，并且查看和修改目標(biāo)機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的上下文，如內(nèi)存數(shù)據(jù)、寄存器當(dāng)前值。

調(diào)試環(huán)境提供基本的調(diào)試功能，包括：運(yùn)行控制、斷點(diǎn)管理、符號(hào)表管理、信息查詢、數(shù)據(jù)修改。為用戶提供了三種斷點(diǎn)：行斷點(diǎn)、表達(dá)式斷點(diǎn)、數(shù)據(jù)斷點(diǎn)。其中，行斷點(diǎn)和表達(dá)式斷點(diǎn)都可以由軟件斷點(diǎn)和硬件斷點(diǎn)兩種方式實(shí)現(xiàn)，而數(shù)據(jù)斷點(diǎn)只能由硬件斷點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)。

調(diào)試環(huán)境提供“系統(tǒng)級(jí)調(diào)試”和“分區(qū)級(jí)調(diào)試”兩種調(diào)試方式?！跋到y(tǒng)級(jí)調(diào)試”在斷點(diǎn)或異常的處理過程中會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)暫停，等待用戶的下一步命令，其調(diào)試的對(duì)象是整個(gè)目標(biāo)機(jī)系統(tǒng)；“分區(qū)級(jí)調(diào)試”在斷點(diǎn)或異常的處理過程中，只停止被調(diào)試的分區(qū)，其余分區(qū)照常運(yùn)行，被調(diào)試的對(duì)象是用戶指定的分區(qū)。

2.1.3 控制臺(tái)

控制臺(tái)向開發(fā)者提供命令行操作的功能，包括“宿主機(jī)控制臺(tái)”和“目標(biāo)機(jī)控制臺(tái)”。其中“宿主機(jī)控制臺(tái)”提供一個(gè)菜單可以直接啟動(dòng)宿主機(jī)開發(fā)環(huán)境提供的命令行窗口，“目標(biāo)機(jī)控制臺(tái)”接收開發(fā)者在控制臺(tái)輸入的命令，使用GDB調(diào)試器將命令發(fā)送給目標(biāo)機(jī)并反饋結(jié)果。

2.2 交叉調(diào)試流程

與其它平臺(tái)的交叉調(diào)試流程類似[11]，我們的交叉調(diào)試工具在進(jìn)行調(diào)試時(shí)，大致分為三個(gè)步驟。

第一步，宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間的連接，初始化二者的交叉調(diào)試環(huán)境，包括啟動(dòng)宿主機(jī)端的遠(yuǎn)程調(diào)試器和目標(biāo)機(jī)端的代理服務(wù)器等操作。

第二步，“調(diào)試環(huán)境”組件利用“目標(biāo)機(jī)管理”組件，發(fā)送一系列內(nèi)存讀寫的指令，將需要運(yùn)行的程序鏡像下載到目標(biāo)機(jī)的內(nèi)存上。并且根據(jù)用戶在調(diào)試頁面的操作，將斷點(diǎn)信息傳輸?shù)侥繕?biāo)機(jī)，在適當(dāng)位置設(shè)置斷點(diǎn)，方便用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試。

第三步，開始運(yùn)行程序，在遇到用戶設(shè)置的斷點(diǎn)之前，程序?qū)⒄?zhí)行。當(dāng)程序運(yùn)行遇到斷點(diǎn)時(shí)，程序的控制權(quán)將從目標(biāo)機(jī)處理器轉(zhuǎn)移到目標(biāo)機(jī)的代理服務(wù)器上，而此時(shí)代理服務(wù)器將通過“目標(biāo)機(jī)管理”組件向宿主機(jī)報(bào)告遇到斷點(diǎn)，并發(fā)送斷點(diǎn)的上下文信息，方便宿主機(jī)上的用戶判斷下一步的操作，此時(shí)目標(biāo)機(jī)服務(wù)器將一直等待宿主機(jī)的回復(fù)，不會(huì)有下一步操作。宿主機(jī)在得知目標(biāo)機(jī)運(yùn)行遇到斷點(diǎn)之后，便可以如本機(jī)調(diào)試一樣，查看和修改斷點(diǎn)時(shí)刻的寄存器信息、內(nèi)存信息等上下文信息。

2.3 應(yīng)用實(shí)例

建目標(biāo)機(jī)連接時(shí)，由于目標(biāo)機(jī)使用的處理器為國產(chǎn)龍芯處理器，其體系結(jié)構(gòu)為mips，因此設(shè)置體系結(jié)構(gòu)為mips，連接類型為UDP，在連接參數(shù)中有目標(biāo)機(jī)服務(wù)器的調(diào)試端口IP地址，設(shè)置超時(shí)時(shí)間為5000ms。若發(fā)生連接超時(shí)，可以重啟IDE再嘗試連接。連接頁面如圖3所示。

圖3 連接目標(biāo)機(jī)

右鍵項(xiàng)目名，選擇調(diào)試，等待一段時(shí)間后，選擇分區(qū)加載。若遇到分區(qū)映像已存在，則選擇覆蓋。選擇界面如圖4所示。

圖4 選擇加載分區(qū)

在點(diǎn)擊加載之后，就可以進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，在下圖中main.c中雙擊設(shè)置斷點(diǎn)，點(diǎn)擊上方工具欄的繼續(xù)按鈕，開始調(diào)試程序，程序會(huì)在斷點(diǎn)處暫停，查看目標(biāo)機(jī)的狀態(tài)信息。調(diào)試界面如圖5所示。

圖5 調(diào)試界面

在交叉調(diào)試的過程中，會(huì)使用到多個(gè)調(diào)試按鈕，分別為繼續(xù)、暫掛、終止、斷開連接、單步跳入、單步跳過、單步返回。

3 結(jié)語

本文介紹了在國產(chǎn)銀河操作系統(tǒng)下，嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境中的調(diào)試功能和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。首先對(duì)Eclipse框架和相應(yīng)的插件機(jī)制進(jìn)行了說明，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)描述了調(diào)試功能的相關(guān)組件及結(jié)構(gòu)，對(duì)具體的調(diào)試流程進(jìn)行了解釋，并且給出了在實(shí)際調(diào)試過程中的用戶界面。通過使用該嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境，開發(fā)人員可以較為方便地在銀河麒麟操作系統(tǒng)上開發(fā)針對(duì)龍芯等mips架構(gòu)嵌入式開發(fā)板的軟件，提高了在銀河麒麟操作系統(tǒng)上進(jìn)行嵌入式開發(fā)的效率，豐富了國內(nèi)研發(fā)的操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)生態(tài)。