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嵌入式系统的除错策略分析
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2017-10-20
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嵌入式系统除错的工作量，可望占了嵌入式软体专案工作量的一半以上。了解硬体除错功能以及它们所能解决的问题，是选择正确的晶片、建立除错系统以及提高生产效率的关键。
很多人都相信“臭虫（bug）”此一用词起源于海军少将 Grace Murray Hopper。但事实上，没人知道这种用法的真正来源，它可能可以回溯到 Thomas A Edison，或甚至更早。美国海军后备役军官 Hopper 在 1945 年 9 月 9 日于哈佛大学对 Mark II Aiken 继电计算器（ Relay Calculator）进行测试时，于短路的 Panel F ＃70 号继电器处发现了一双臭虫。她把这只臭虫拿掉后（就是对电脑进行除臭虫（debugging）），就解决了这台机器不定时关机的故障（参考文献 1）。虽然这个早期的例子指的是从系统硬体中去除臭虫，但今天“debugging”这个词是指发现一个程式的问题，并去掉缺陷代码（defective code）的过程。这些问题包括任何与原始意向的差异，而去掉缺陷代码的做法则远优于增加纠正代码（correction code）。理想情况下，在任何时间都可以获得所有的特性（如系统的匯流排与暂存器值），供监控与修改。但随着 IC 转向 SoC，可存取性（accessibility）就变得更加困难了。
对硬体除错，是要尽可能地可以存取到嵌入式系统内部资源，这可以透过观察系统的特性，如 CPU 状态和 PC 值，或修改系统的参数。在嵌入式系统设计的早期可以用简单技术进行除错，如记录（logging）与监控，或者对多核心 SoC而言，可以采用最新开发的方法，如跟踪、缓衡记忆体除错（cache debugging）和交叉触发（cross-triggering）等。本文的重点不是在如何编写代码或为代码除错，而是描述现在可用的嵌入式硬体硅智财权（intellectual property ，IP），以及该 IP 能解决哪方面的除错问题。
记录与监控
最古老也是最常用的除错方法就是在代码中增加一些列印叙述（print statement），它可以显示软体某个部分的执行资讯，并提供暂存器和变数的实际值。这可能是一年级学生练习“hello world”的一种延续，该程式会在荧幕上显示这两个词，用于表示程式能够运行，以及执行到了某个点。列印叙述（或 printf 语句）只是记录的一种变型，它是用处理器将重要资讯写入一个“管道（pipe）”，作为外部跟踪的过程。所使用的管道将视系统而订，在 printf 情况下，管道是标准的输出（荧幕），但它也可以是 UART、USB，甚至是通用 I/O。
当你需要用一种对程式设计工程师有意义的方式，组织各个部分资讯时（例如提供感测器资讯或状态机的转换），采用记录的方法是很有价值的。可以用记录工具来分析记录的资讯，并产生一个后处理资料库。必须小心使用记录功能才能获得高效率。例如，记录资讯应使用关键字开头，如“警告”、“错误”或“除错”等，并应能识别出资讯的建立者。应将记录功能划分为一小组档案，以便于维护，并提供时间戳资讯。不幸的是，记录是一种侵入性的方法，它会修改软体的即时状态，因而不同于最终应用。
除错监控器是另一种常见的除错工具，它与运行在 CPU 记忆体中的目标代码一起工作（参考文献 2 和参考文献 3）。除错器运行在一台主机上，它透过一个专用的埠发送指令和接收响应，从而达到与监控器通信的目的。可以将 Linux 上的 gdbserver 程式当作一个除错监控器，不过它比早期的 ROM 监控器更复杂
（图 1）。
当使用者希望在某条指令处设置一个中断点时，gdbserver 会保存该指令，而用一个系统呼叫（system call）来替代它。Gdbserver 然后用 Linux 的 ptrace 程式获得所有进行系统呼叫的应用程式资讯。接着，当发生系统呼叫而啟动中断点时，gdbserver 可以取得对被除错应用的控制。除错器运行在一台主控机上，透过串列埠或乙太网路连接到目标物件（参考文献 4）。监控器的方法既便宜又实用，但也有一些缺点，例如需要在进行任何除错前载入代码，并可能与应用软体相互影响。如果代码位于快闪记忆体中就不能使用监控器软体，因为要插入软体中断点就需要修补应用软体。
很多人都相信“臭虫（bug）”此一用词起源于海军少将 Grace Murray Hopper。但事实上，没人知道这种用法的真正来源，它可能可以回溯到 Thomas A Edison，或甚至更早。美国海军后备役军官 Hopper 在 1945 年 9 月 9 日于哈佛大学对 Mark II Aiken 继电计算器（ Relay Calculator）进行测试时，于短路的 Panel F ＃70 号继电器处发现了一双臭虫。她把这只臭虫拿掉后（就是对电脑进行除臭虫（debugging）），就解决了这台机器不定时关机的故障（参考文献 1）。虽然这个早期的例子指的是从系统硬体中去除臭虫，但今天“debugging”这个词是指发现一个程式的问题，并去掉缺陷代码（defective code）的过程。这些问题包括任何与原始意向的差异，而去掉缺陷代码的做法则远优于增加纠正代码（correction code）。理想情况下，在任何时间都可以获得所有的特性（如系统的匯流排与暂存器值），供监控与修改。但随着 IC 转向 SoC，可存取性（accessibility）就变得更加困难了。
对硬体除错，是要尽可能地可以存取到嵌入式系统内部资源，这可以透过观察系统的特性，如 CPU 状态和 PC 值，或修改系统的参数。在嵌入式系统设计的早期可以用简单技术进行除错，如记录（logging）与监控，或者对多核心 SoC而言，可以采用最新开发的方法，如跟踪、缓衡记忆体除错（cache debugging）和交叉触发（cross-triggering）等。本文的重点不是在如何编写代码或为代码除错，而是描述现在可用的嵌入式硬体硅智财权（intellectual property ，IP），以及该 IP 能解决哪方面的除错问题。
记录与监控
最古老也是最常用的除错方法就是在代码中增加一些列印叙述（print statement），它可以显示软体某个部分的执行资讯，并提供暂存器和变数的实际值。这可能是一年级学生练习“hello world”的一种延续，该程式会在荧幕上显示这两个词，用于表示程式能够运行，以及执行到了某个点。列印叙述（或 printf 语句）只是记录的一种变型，它是用处理器将重要资讯写入一个“管道（pipe）”，作为外部跟踪的过程。所使用的管道将视系统而订，在 printf 情况下，管道是标准的输出（荧幕），但它也可以是 UART、USB，甚至是通用 I/O。
当你需要用一种对程式设计工程师有意义的方式，组织各个部分资讯时（例如提供感测器资讯或状态机的转换），采用记录的方法是很有价值的。可以用记录工具来分析记录的资讯，并产生一个后处理资料库。必须小心使用记录功能才能获得高效率。例如，记录资讯应使用关键字开头，如“警告”、“错误”或“除错”等，并应能识别出资讯的建立者。应将记录功能划分为一小组档案，以便于维护，并提供时间戳资讯。不幸的是，记录是一种侵入性的方法，它会修改软体的即时状态，因而不同于最终应用。
除错监控器是另一种常见的除错工具，它与运行在 CPU 记忆体中的目标代码一起工作（参考文献 2 和参考文献 3）。除错器运行在一台主机上，它透过一个专用的埠发送指令和接收响应，从而达到与监控器通信的目的。可以将 Linux 上的 gdbserver 程式当作一个除错监控器，不过它比早期的 ROM 监控器更复杂
（图 1）。
当使用者希望在某条指令处设置一个中断点时，gdbserver 会保存该指令，而用一个系统呼叫（system call）来替代它。Gdbserver 然后用 Linux 的 ptrace 程式获得所有进行系统呼叫的应用程式资讯。接着，当发生系统呼叫而啟动中断点时，gdbserver 可以取得对被除错应用的控制。除错器运行在一台主控机上，透过串列埠或乙太网路连接到目标物件（参考文献 4）。监控器的方法既便宜又实用，但也有一些缺点，例如需要在进行任何除错前载入代码，并可能与应用软体相互影响。如果代码位于快闪记忆体中就不能使用监控器软体，因为要插入软体中断点就需要修补应用软体。
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