新型Linux開發(fā)工具應(yīng)對下一代嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

Linux 如今已在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)領(lǐng)域占有一席之地。那些過去需要商用或自創(chuàng)及維護(hù)的 RTOS 應(yīng)用正越來越多被 Linux 平臺(tái)所取代。每家公司這樣做的理由可能不盡相同，但共同的因素是：1)得到操作系統(tǒng)源代碼的可能性；2)大量的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及通信棧；3)精通 Linux 的軟件工程師團(tuán)隊(duì)正日益壯大；4)從產(chǎn)品材料成本中減去操作系統(tǒng)版稅部分能帶來顯而易見的成本優(yōu)勢；5)現(xiàn)在半導(dǎo)體供應(yīng)商們?yōu)榛谄溆布⒖计脚_(tái)的系統(tǒng)級芯片(SoC)、工具鏈和參考發(fā)布提供了一個(gè) Linux 端口。

為了充分利用 Linux 操作系統(tǒng)，原始設(shè)備制造商(OEM)可選擇與商用 Linux 供應(yīng)商合作，或在內(nèi)部增添工程能力。這兩種模式都已被證明是成功的，但是每種做法都需各自的成本。

不管 OEM 如何選擇，他們的工程師所使用的典型調(diào)試模型都是相同的：基于 GDB(GNU Debugger)的客戶服務(wù)器環(huán)境。如圖1所示，它描述了在調(diào)試目標(biāo)時(shí)，附加并運(yùn)行在每個(gè) Linux 進(jìn)程中的 GDBSERVER 例示。每個(gè) GDBSERVER 都通過一個(gè)以太網(wǎng)端口與主機(jī)通信。

另外，需要特別注意的是，采用這種調(diào)試方法，標(biāo)準(zhǔn) Linux內(nèi)核被替換成一種“靜態(tài)”版本。僅有少數(shù)例外，所有通過 KGDB的目標(biāo)調(diào)試通信都被限制在 RS232 串行鏈路。

圖1: 標(biāo)準(zhǔn) Linux 調(diào)試模型。

這種方法給開發(fā)人員帶來了另一個(gè)挑戰(zhàn)，即要使用 Linux內(nèi)核的測試版(instrumented version)。雖然這是可接受的默認(rèn)Linux調(diào)試環(huán)境，但這種方法有一些很明確的局限性。例如，采用多進(jìn)程組成的應(yīng)用，需要多個(gè) GDBSERVER 運(yùn)行于有限的目標(biāo)存儲(chǔ)器上。這可能影響被調(diào)試目標(biāo)的性能，在一些情況下目標(biāo)性能可降低50%以上。

即使在所有的內(nèi)核工具和通信通道均可用的最佳情形下，仍有一些區(qū)域的代碼在這個(gè)調(diào)試范例下難以到達(dá)。圖2中說明的“問題”區(qū)域給內(nèi)核和應(yīng)用程序開發(fā)人員提出了更多挑戰(zhàn)。這些區(qū)域包括每個(gè)進(jìn)程下大量的線程，以及代碼獨(dú)立和數(shù)據(jù)位置獨(dú)立的內(nèi)核可加載模塊。盡管對于熟練的開發(fā)人員來說，有可能利用現(xiàn)有技術(shù)合成一個(gè)環(huán)境，來滿足這些區(qū)域的調(diào)試需要，但是這種環(huán)境對用戶非常不友好，且在負(fù)載下無法擴(kuò)展。

圖 2: “問題”區(qū)域。

接下來我們看看在Linux 內(nèi)核可加載模塊的例子中，模塊加載時(shí)間調(diào)用的初始化程序由哪些部分組成。目前的調(diào)試范例表明加載了這些模塊，然后利用調(diào)試器對其代碼和數(shù)據(jù)偏移進(jìn)行調(diào)整(手動(dòng)和自動(dòng))。但是，這時(shí)模塊的初始化代碼已經(jīng)執(zhí)行了，無法在代碼所在區(qū)域?qū)栴}進(jìn)行調(diào)試。另一個(gè)使用情形涉及共享庫，這經(jīng)常無法由 GDBSERVER 或其他類似程序很好地處理。即使存在這些問題，許多工程師仍在采用 printf(用戶空間)和 printk(內(nèi)核空間)作為主要調(diào)試幫助。一些調(diào)試“工具”帶來新的軟件問題或可能掩蓋現(xiàn)有的問題。

[!--empirenews.page--]Arriba Debugger全面解決嵌入式Linux調(diào)試問題

Arriba Debugger從一開始就計(jì)劃為調(diào)試嵌入式 Linux 提供全面方案。VMON2取代了GDBSERVER 和 KGDB，是一種運(yùn)行于嵌入式 Linux 目標(biāo)的、動(dòng)態(tài)可加載、基于需求的調(diào)試代理。通過與主機(jī)上的 Arriba Debugger 通信，從用戶級線程到靜態(tài)內(nèi)核，VMON2 可實(shí)現(xiàn) Linux 目標(biāo)完全可視性。VMON2的存儲(chǔ)器占位面積很小，即使在加載時(shí)，它對運(yùn)行系統(tǒng)的性能影響也幾乎無法覺察。VMON2 在目標(biāo)上的空間小于 250KB，能通過單以太網(wǎng)連接到目標(biāo)平臺(tái)進(jìn)行端到端的調(diào)試。

圖3: Arriba 解決方案。

問題 1 – 可加載模塊

通過 Arriba Debugger，當(dāng)某一特性的內(nèi)核模塊加載到目標(biāo)時(shí)，VMON2 可進(jìn)行配置，并向主機(jī)發(fā)送信號。接到這個(gè)信號后，Arriba Debugger 會(huì)自動(dòng)且正確地加載各自模塊的符號信息，并對模塊初始化功能的入口點(diǎn)進(jìn)行位置控制?，F(xiàn)在，用戶可以通過高速以太網(wǎng)連接對有問題的模塊進(jìn)行充分調(diào)試控制。與傳統(tǒng)Linux內(nèi)核和模塊的調(diào)試不同，VMON2不預(yù)先占用內(nèi)核，這對于以多數(shù)據(jù)和媒體為中心的應(yīng)用而言非常關(guān)鍵。

問題 2 – 多進(jìn)程調(diào)試；父/子進(jìn)程

在許多情況下，Linux 應(yīng)用程序開發(fā)人員需要?jiǎng)?chuàng)建包括多進(jìn)程的應(yīng)用。這樣的進(jìn)程最初始于應(yīng)用初始化程序中的一個(gè)父進(jìn)程。一個(gè)常見的挑戰(zhàn)是考慮設(shè)置子進(jìn)程斷點(diǎn)、并最終在子進(jìn)程創(chuàng)建并運(yùn)行時(shí)，滿足這些斷點(diǎn)的需求。這聽起來也許很簡單，但對現(xiàn)有的嵌入式或非嵌入式 Linux 調(diào)試來說尚未獲得支持。作為一個(gè)變通辦法，開發(fā)人員經(jīng)常在由一個(gè)最初設(shè)為“真”變量選通的無限循環(huán)子進(jìn)程中，人工插入用于測試的代碼。這有助于將 GDBSERVER 這樣的調(diào)試工具連接到有問題的子進(jìn)程，將選通變量值變?yōu)椤凹佟眮斫獬h(huán)并恢復(fù)調(diào)試。

問題 3 – 調(diào)試內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序、共享庫…甚至已發(fā)布的產(chǎn)品內(nèi)核

根據(jù)應(yīng)用的范圍和寬度，Linux 調(diào)試的“問題區(qū)域”范圍可能涉及很廣。Arriba Debugger 為將來可能發(fā)生的問題提供了一個(gè)徹底的解決方案。編程人員和現(xiàn)場應(yīng)用工程師需要能診斷和修復(fù)那些出現(xiàn)在產(chǎn)品中，并已被部署到現(xiàn)場的缺陷。在這種情況下，目標(biāo)平臺(tái)取決于嚴(yán)格限制的調(diào)試和通信接入。作為可加載模塊，VMON2 可進(jìn)行配置來啟動(dòng)已經(jīng)部署的系統(tǒng)，因此，它能夠以極少的入侵有效調(diào)試并診斷系統(tǒng)。

Navigator集成元件套件(ICS)

MIPS 科技新發(fā)布了 MIPS Navigator集成元件套件(ICS)。Arriba Linux Debugger作為 MIPS Navigator ICS 的一個(gè)插件程序現(xiàn)可直接從 MIPS 科技獲得。這種無縫集成是 MIPS 科技和 Viosoft 公司之間合作的結(jié)果。

MIPS Navigator ICS中是一個(gè)功能豐富的Eclipse CDT環(huán)境，是專為MIPS架構(gòu)定制的。另外，MIPS Navigator ICS 還包含最新的基于GNU的MIPS工具鏈CodeSourcery SG++，以及全部開發(fā)代碼必需的預(yù)期功能。MIPS Navigator ICS還集成了對所有MIPS科技的處理器IP的支持，包括PDTrace和EJTAG探針技術(shù)。

此外，開發(fā)人員還可利用另一款新的分析工具Arriba Linux Event Analyzer(LEA)，它也是MIPS Navigator ICS的一個(gè)插件程序。這款工具可捕捉發(fā)生在目標(biāo)中的所有Linux事件，根據(jù)時(shí)間順序用圖表顯示事件。Arriba LEA收集并提供大量關(guān)于Linux系統(tǒng)的信息，包括進(jìn)程和線程間的上下文切換、信號和共用運(yùn)行時(shí)間。LEA的存儲(chǔ)器占位面積小，幾乎不影響CPU周期，因此對于自主開發(fā)和現(xiàn)場服務(wù)而言都是理想的性能分析和調(diào)試工具。

圖4: Linux Event Analyzer (LEA) ICS視圖。

圖4顯示了一個(gè)LEA屏幕顯示的例子。LEA可以檢測外部事件延遲、響應(yīng)時(shí)間，甚至是運(yùn)行中的系統(tǒng)所出現(xiàn)的每個(gè)事件負(fù)載。該信息也可通過“原始”格式顯示，易于導(dǎo)入Microsoft Excel進(jìn)行其他后處理和分析。

終端用戶的應(yīng)用各不相同，同一組織內(nèi)的每個(gè)開發(fā)人員或團(tuán)隊(duì)可能采用LEA系統(tǒng)的不同方面。這就需要開放端分析工具具有高度可定制的設(shè)計(jì)能力。通過創(chuàng)建和配置各自插入LEA的內(nèi)核模塊，開發(fā)人員可輕易且迅速地對其應(yīng)用和系統(tǒng)進(jìn)行觀察。LEA采用與VMON2相同的測試技術(shù)(instrumentation technology)，這意味著不需要調(diào)試補(bǔ)丁或?qū)inux內(nèi)核進(jìn)行專門編譯。

Arriba Linux Debugger、Arriba LEA 和 MIPS Navigator ICS 的組合為MIPS開發(fā)人員提供了一個(gè)全面而強(qiáng)大的Linux開發(fā)環(huán)境，有助于縮短客戶產(chǎn)品上市時(shí)間，同時(shí)使開發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)秀的代碼質(zhì)量。