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1、浙江大学计算机学院 陈文智 2005年3月,(4)开发环境及开发工具,2,嵌入式系统开发周期长和产品需要及时上市成为矛盾。 选择是一个问题，学习掌握嵌入式系统结构及其应用更需要时间。 以开发工具和技术咨询为基础的整体解决方案是迫切需要的。,3,1. 开发环境,嵌入式系统，是指嵌入于宿主设备，智能地完成宿主设备功能的计算/控制系统。 嵌入式系统开发环境，是以开发嵌入式系统为目的的工程开发环境。包括办公环境支持、软件支持、硬件设备支持。 软件支持，指集成开发环境与软件模拟器等。 硬件支持，指仿真器、目标板、示波器、烧录器等。,4,1.1集成开发系统,集成开发系统提供高效明晰的图形化的嵌入式应用软件
2、开发平台，包括一整套完备的面向嵌入式系统的开发和调试工具 。 一般包括编辑器、编译器、连接器、调试器、工程管理器和底层调试接口设备（BDM/JTAG仿真器）等,6,嵌入式c/c+编译器 交叉编译能力：能够在pc/unix平台上生成其他cpu平台目标代码 连接/定址器：因为无法提供dos/windows的动态定位执行能力。嵌入式一般需要目标代码静态定位到具体地址，定址器完成这一工作。 启动代码：初始化处理器和c语言堆栈区等环境的汇编码。 EC+:针对嵌入式的一些实时要求等特点，对标准C+语言规范的修改扩充。,嵌入式C/C+开发环境,7,嵌入式C/C+开发环境,提供目标调试(remote/rom
3、monitor)能力. 另外还有其他一些地方需要注意，如I/O库，大小尾段等。 主流嵌入式编译器： GNU 、CADUL 、CodeWarrior、GreenHill、Diab/SDS、IAR、BC/VC+Toolkit.等,8,（1）早期的Franklin Software Inc. 的A51/C51与Keil Software Inc.的 CA51/CA251/CA166赫赫有名。 （2）TASKING Inc. 的C/C+/EC+ 编译器 （3）CAD-UL Inc.提供一整套工具开发X86和68K 。 （4）Wind River Systems, Inc.的Diab C/C+ Comp
4、iler Suite，应用于pSOS系统。 （5）IBM 的High C/C+ Compiler ，针对Power PC。 （6）GNU组织的免费编译器GCC,9,1.1.2 调试器,远程调试 调试器还是运行于通用桌面操作系统的应用程序，被调试的程序则运行于基于特定硬件平台的嵌入式操作系统（目标操作系统）。,10,问题：,调试器与被调试程序如何通信 被调试程序产生异常如何及时通知调试器 调试器如何控制、访问被调试程序 调试器如何识别有关被调试程序的多任务信息并控制某一特定任务 调试器如何处理某些与目标硬件平台相关的信息（如目标平台的寄存器信息、机器代码的反汇编等）。,11,两种远程调试的方案,
5、一 插桩（stub） 二 片上调试（On Chip Debugging）,12,1.1.2.1 插桩（stub）,在目标操作系统和调试器内分别加入某些功能模块，二者互通信息来进行调试。,13,步骤,调试器与被调试程序的通信调试器与目标操作系统通过指定通信端口（串口、网卡、并口）遵循远程调试协议进行通信。 被调试程序产生异常及时通知调试器目标操作系统的所有异常处理最终都要转向通信模块，告知调试器当前的异常号；调试器据此向用户显示被调试程序产生了哪一类异常。,14,调试器控制、访问被调试程序调试器的这类请求实际上都将转换成对被调试程序的地址空间或目标平台的某些寄存器的访问，目标操作系统接收到这样的
6、请求可以直接处理。对于没有虚拟存储概念的简单的嵌入式操作系统而言，完成这些任务十分容易。 调试器识别有关被调试程序的多任务信息并控制某一特定任务由目标操作系统提供相关接口。目标系统根据调试器发送的关于多任务的请求，调用该接口提供相应信息或针对某一特定任务进行控制，并返回信息给调试器。,15,调试器处理与目标硬件平台相关的信息第2条所述调试器应能根据异常号识别目标平台产生异常的类型也属于这一范畴，这类工作完全可以由调试器独立完成。支持多种目标平台正是GNU GDB的一大特色。,16,目标操作系统支持,远程调试协议的通信模块（包括简单的设备驱动） 多任务调试接口 改写异常处理的有关部分 定义一个设
7、置断点的函数,17,目标操作系统添加的这些模块统称为“插桩” 若驻留于ROM中则称为ROM monitor,18,通用操作系统也有具备这类模块 编译运行于Alpha、Sparc或PowerPC平台的LINUX内核时若将kgdb开关打开，就相当于加入了插桩。,19,调试过程,20,Stub的本质,软件接管目标系统的全部异常处理（exception handler）及部分中断处理 在其中插入调试端口通信模块，与主机的调试器交互 不用于正式发布的调试版,21,1.1.2.2.片上调试OnChip Debugging,片上调试是在处理器内部嵌入额外的控制模块，当满足了一定的触发条件时进入某种特殊状态
8、在该状态下，被调试程序停止运行，主机的调试器可以通过处理器外部特设的通信接口访问各种资源（寄存器、存储器等）并执行指令。 主机通信端口与目标板调试通信接口 信号转换电路板连接,22,23,内嵌的控制模块,以基于微码的监控器（microcode monitor）或纯硬件资源的形式存在 包括一些提供给用户的接口（如断点寄存器等） 具体产品有Motorola CPU16、CPU32、Coldfire系列的BDM（Background Debug Mode），Motorola PowerPC 5xx、8xx系列的EPBDM（Embedded PowerPC Background Debug Mode）
9、，IBM、TI的JTAG（Joint Test Action Debug，IEEE标准），还有OnCE、MPSD等等。,24,EPBDM的执行流程,相当于用处理器内嵌的调试模块接管中断及异常处理。 用户通过设置调试许可寄存器（debug enable register）来指定哪些中断或异常发生后处理器直接进入调试状态，而不是操作系统的处理程序。 1、进入调试状态后，内嵌调试模块向外部调试通信接口发出信号，通知一直在通信接口监听的主机调试器 2、调试器便可通过调试模块使处理器执行任意系统指令（相当于特权态）。,25,3、所有指令均通过调试模块获取，所有load/store 均直接访问内存，缓存（
10、cache）及存储管理单元（MMU）均不可用 4、数据寄存器被映射为一个特殊寄存器DPDR，通过mtspr和mfspr指令访问。 5、调试器向处理器送rfi(return from interrupt)指令便结束调试状态，被调试程序继续运行。,26,OCD(片上调试)的特点,优点： 不占用目标平台的通信端口 无需修改目标操作系统 能调试目标操作系统的启动过程，大大方便了系统开发人员。 缺点： 软件工作量的增加 调试器端除了需补充对目标操作系统多任务的识别、控制等模块 针对使用同一芯片的不同开发板编写各类ROM、RAM的初始化程序。,27,1.1.2.3 其他调试器原理,代理（agent） 针对
11、:实时系统，延时，监视点trace point 处理方法： 监视点缓冲 命中监视点，自动唤醒代理，存储数据到缓冲 代理无需通讯 实时监视的可行方案 CPU支持串行工作 针对指令缓冲,28,1.1.2.4典型调试器,Applied Microsystems Corp 的AMC System Debug Tools （CodeWarrior） Signum Systems Corp. 的Chameleon Debugger Wind River Systems, Inc. 的SingleStep /Tornado Debugger,29,1.1.3 测试器,嵌入式微处理器测试 基准联盟EEMBC（
12、EDN Embedded Microprocessor Benchmark Consortium） EEMBC的测试标准：40多种用于消费类产品、网络、办公自动化及电信产品、汽车和工业产品的C语言综合算法。 仅凭硬件测试工具来自动记录嵌入式系统的完整测试结果是不可能的,30,测试程序的选择,实际程序 用户用来解决问题的实际工作程序.尽管不知道在工作负载中所占的比例. 如C编译器,文本编辑器等, 有输入,输出,参数 核心基准测试程序(kernel benchmark) 从实际程序中抽出来的核心代码段,适于独立评价某一方面的性能 如Livemore Loops(浮点循环), Linpack等,31
13、,简单基准测试程序(toy benchmark) 事先知道结果的小程序(10100行) 如快速排序,八皇后问题 等 综合基准程序(synthetic benchmark) 根据大量实际程序的统计数据(指令和操作数的使用频度)人为设计编制的程序 如Whetstone, Dhrystone等,32,33,常见测试工具,Applied Microsystems Corp. 的CodeTEST，拥有性能分析、内存分析、代码跟踪和高级覆盖率分析四大功能模块。单元级、集成级和系统级测试 。 Vector Software, Inc的VectorCAST，功能涵盖环境构造器、测试用例产生器、执行管理器、测试
14、报告产生器、代码覆盖率、静态分析,34,1.2 仿真开发,非硬件平台开发 1源程序模拟器(Simulator) 2实时在线仿真系统ICE,35,1.2.1 源程序模拟器(Simulator),简单的模拟器可以通过指令解释方式逐条执行源程序，分配虚拟存储空间和外设。 高级的模拟器可以利用计算机的外部接口模拟出处理器的I/O电气信号。 模拟器软件独立于处理器硬件，一般与编译器集成在同一个环境中，是一种有效的源程序检验和测试工具。 在指令执行时间、中断响应、定时器等方面很可能与实际处理器有相当的差别。 和ICE有区别 、,36,优点,模拟器软件独立于处理器硬件 一般与编译器集成在同一个环境中 有效的
15、源程序检验和测试工具。,37,缺点,以一种处理器模拟另一种处理器的运行，在指令执行时间、中断响应、定时器等方面很可能与实际处理器有相当的差别 它无法和ICE一样，仿真嵌入式系统在应用系统中的实际执行情况。,38,ChipView-x51 for Windows,39,ChipView-166 for Windows,40,SystemView,41,42,WinCE的Pocket系列模拟器,43,1.2.2实时在线仿真系统ICE-仿真器,ICE具有三大功能 ICE排除了设计逻辑错误。通过实际执行，对应用程序进行原理性检验，可以发现人的思维不能发现的问题。 ICE可以发现与排除硬件干扰等引起的异
16、常执行行为。通过在应用系统中仿真微控制器的实时执行，系统的异常执行行为得到制止。 高级的ICE带有完善的跟踪功能。它可以将应用系统的实际状态变化、微控制器对状态变化的反应、以及应用系统对控制的响应等以一种录像的方式连续记录下来，以供分析，在分析中优化控制过程。,44,ICE不仅是软件硬件排错工具，同时也是提高和优化系统性能指标的工具,高档ICE工具(如美国NOHAU公司的产品)是可根据用户投资裁剪功能的系统，亦可根据需要选择配置各种档次的实时逻辑跟踪器(Trace)、实时映象存储器(Shadow RAM)及程序效率实时分析功能(PPA)。,45,常见ICE,Applied Microsystems Corp. 的CodeICE/EL/CodeTAP/SuperTAP/PowerTAP仿真器 Lauterbach, Inc. 的TRACE32-ICE仿真器 Signum Systems Corp. 的Signum系列仿真器 Embedded Support Tools Corp. 的visionICE仿真器 ,46,EMUL-ARM Supp
