實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)軟件調(diào)試常見問題分析

本文將討論常見的調(diào)試問題以及預(yù)防和檢查這些故障問題的一些方法。

　　從歷史角度上來看，嵌入式應(yīng)用代碼的調(diào)試流程可以分為兩類。第一類調(diào)試流程是回答 “我的代碼現(xiàn)在執(zhí)行到哪里?” 的問題。當(dāng)開發(fā)商依靠打印語句或者LED的閃爍來指示應(yīng)用程序執(zhí)行到某個(gè)節(jié)點(diǎn)的調(diào)試方法時(shí)，往往就屬于這種情形。如果開發(fā)工具支持這種調(diào)試方法，可以沿著應(yīng)用應(yīng)當(dāng)程序應(yīng)當(dāng)執(zhí)行的路徑插入斷點(diǎn)。第二類調(diào)試流程是幫助回答“我看到的這一數(shù)值是從哪里來的?”這一問題。在這種情況下，人們往往依靠寄存器顯示窗口觀察變量信息、處理器內(nèi)存的內(nèi)容。人們還可以嘗試單步執(zhí)行，并且觀察所有這些數(shù)據(jù)窗口以了解某個(gè)寄存器狀態(tài)何時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，內(nèi)存位置何時(shí)得到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，抑或指針何時(shí)出現(xiàn)了誤用。

　　當(dāng)開發(fā)商寫完全部代碼后，如果無需了解網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，也沒有操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度需要考慮，那么就可以利用這些調(diào)試方法使一個(gè)應(yīng)用程序運(yùn)行起來。然而，現(xiàn)在的情況并非如此。嵌入式處理器以超過600 MHz的速度運(yùn)行，并且擁有可支持Ethernet和USB等協(xié)議的嵌入式外設(shè)，它們支持功能齊備的操作系統(tǒng)，例如uClinux，而且這些操作系統(tǒng)所調(diào)度的各種應(yīng)用程序是由數(shù)千行代碼構(gòu)成。使用打印語句和利用LED來調(diào)試是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)楝F(xiàn)在常常有如此之多的功能在執(zhí)行是不可能的，或者它們會(huì)影響標(biāo)準(zhǔn)I/O口，從而造成處理器性能大幅度下降。

　　也可能發(fā)生這樣的情況：處理器的工作速度是如此之快，以至于LED的亮滅速度會(huì)快到人眼無法察覺。另外現(xiàn)代的嵌入式系統(tǒng)通常支持?jǐn)帱c(diǎn)的設(shè)定，但是伴隨這些處理器所運(yùn)行的代碼數(shù)量，使得這種類型的斷點(diǎn)調(diào)試難以駕馭。中斷和多線程系統(tǒng)在代碼的任何一點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)斷點(diǎn)，可能都無法指示系統(tǒng)的正確狀態(tài)。由于斷點(diǎn)設(shè)置在物理內(nèi)存的某個(gè)地址上，索引不必了解線程的狀態(tài)。如果使用寄存器顯示方法，那么局部變量窗口和內(nèi)存窗口都將有助于隔離出所載入的不恰當(dāng)?shù)牧恐?，但是，由于這些是靜態(tài)化的工具，不能給出有意義的運(yùn)行中的調(diào)試信息，其適用性也常常很有限。

　　實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)軟件最常見的調(diào)試問題可以大致劃分為如下幾類：

　　1. 同步問題

　　2. 內(nèi)存和寄存器訛誤(corruption)

　　3. 與中斷相關(guān)的問題

　　4. 硬件配置問題

　　5. 異常情況

　　同步問題

　　在任何系統(tǒng)中，只要有多串序線程或者進(jìn)程都在運(yùn)行，而且是異步共享數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)必然存在同步問題。對(duì)于共享數(shù)據(jù)的全部操作必須是原子化的，也就是說，只有在一個(gè)線程或者進(jìn)程完成對(duì)數(shù)據(jù)的操作后，其它的線程才能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

　　以圖1為例，線程A和線程B對(duì)共享變量“counter”進(jìn)行操作，A讓counter 增加，而B則讓counter減少。下方示出了線程A的counter++和線程B counter—的匯編代碼。假設(shè)線程B的優(yōu)先級(jí)要高于線程A，而線程A目前正在運(yùn)行，則線程B將被阻止。

　　舉例來說，假設(shè)初始的計(jì)數(shù)值是2，而線程A是執(zhí)行線程。則線程A讀入計(jì)數(shù)值，并送入一個(gè)寄存器，在使其增加一個(gè)增量后，再將其寫回計(jì)數(shù)器變量上。

　　在可搶先的多線程系統(tǒng)中，高優(yōu)先級(jí)的線程的執(zhí)行可以搶先于低優(yōu)先級(jí)的線程。例如，假定線程A執(zhí)行Reg1 = Reg1+1指令后，一個(gè)事件喚醒線程B。此時(shí)，Reg1儲(chǔ)存量值3?，F(xiàn)在線程B被喚醒(正如藍(lán)線所標(biāo)示的那樣)，并讀入計(jì)數(shù)器的量值2(它尚未被線程A刷新)并將其量值減小到1。正如棕色的線所顯示的那樣，經(jīng)過一段時(shí)間，線程A恢復(fù)運(yùn)行，將Reg1寫入計(jì)數(shù)器中，而該計(jì)數(shù)器的儲(chǔ)存量值為3。 在這個(gè)過程中，線程B的減量操作結(jié)果被丟棄。計(jì)數(shù)器存儲(chǔ)的量值變?yōu)?，即線程A進(jìn)行一次增量后，線程B又進(jìn)行了一次減量操作。被竄改的鏈接表則是另一個(gè)例子。如果數(shù)據(jù)被一個(gè)線程和中斷例程共享，則也會(huì)出現(xiàn)上面的問題，因?yàn)橹袛嗟膱?zhí)行與線程的執(zhí)行之間是異步關(guān)系。

　　同步化方面的問題常常是很難進(jìn)行調(diào)試的，因?yàn)樗鼈內(nèi)Q于時(shí)序，是隨著軟件對(duì)數(shù)據(jù)的操作而隨機(jī)出現(xiàn)的。幸運(yùn)的是，這些問題可以通過恰當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)任何共享數(shù)據(jù)來避免。大多數(shù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以提供同步化原語。開發(fā)商 可以使用最適當(dāng)?shù)臋C(jī)制來保護(hù)共享數(shù)據(jù)，而不至于影響系統(tǒng)的性能。如果數(shù)據(jù)在多個(gè)線程之間共享，則開發(fā)商將有如下的選擇：

　　a. 關(guān)閉調(diào)度器以便當(dāng)前的線程永遠(yuǎn)不會(huì)被其它線程搶先。(無調(diào)度區(qū))

　　b. 使用信號(hào)兩(Semaphore)或者互斥信號(hào)量(Mutex)來保護(hù)共享數(shù)據(jù)。

　　c. 利用關(guān)鍵區(qū)域來進(jìn)行保護(hù)，即屏蔽所有的中斷。

　　開發(fā)商必須從性能出發(fā)來選擇恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)選項(xiàng)。關(guān)閉調(diào)度器，將防止任何一種環(huán)境的切換，從而使得現(xiàn)在的線程能繼續(xù)執(zhí)行，直到調(diào)度器重新打開為止。這種方法有一個(gè)負(fù)面的影響：它將阻止任何準(zhǔn)備好運(yùn)行的高優(yōu)先級(jí)的線程。這一現(xiàn)象被稱為優(yōu)先級(jí)倒置。將中斷關(guān)閉是最安全的方法，對(duì)于執(zhí)行時(shí)間短的情形來說是理想選擇。于是，最差情況的中斷延遲就是所有未發(fā)生中斷的持續(xù)時(shí)間的總和。在硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，一般來說，一個(gè)中斷功能可以被關(guān)閉的時(shí)間存在上限。

　　調(diào)試的一個(gè)小竅門就是，如果共享的數(shù)據(jù)被破壞，則編程者就應(yīng)當(dāng)首先檢查出任何一種多個(gè)線程或者中斷對(duì)共享數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行的操作。如果線程和中斷共享了數(shù)據(jù)，那么在線程代碼中必須將中斷關(guān)閉。如果數(shù)據(jù)在多個(gè)中斷例程之間共享的話，則中斷也應(yīng)當(dāng)被關(guān)閉，因?yàn)楦邇?yōu)先級(jí)的中斷可以搶先于低優(yōu)先級(jí)的中斷。

　　在多線程的系統(tǒng)中，高優(yōu)先級(jí)的線程可以搶在低優(yōu)先級(jí)的線程之前執(zhí)行。因此，如果數(shù)據(jù)在多個(gè)線程間共享的話，則必須采用某種恰當(dāng)?shù)臋C(jī)制來保護(hù)被共享的數(shù)據(jù)。

　　另外一個(gè)同步化問題則與線程優(yōu)先級(jí)的不恰當(dāng)?shù)姆峙溆嘘P(guān)。應(yīng)當(dāng)確保系統(tǒng)的初始化線程在引導(dǎo)時(shí)間內(nèi)就啟動(dòng)，并在生成其它的優(yōu)先級(jí)更高的線程之前，完成整個(gè)系統(tǒng)的初始化。例如，如果一個(gè)用于配置一個(gè)器件的低優(yōu)先級(jí)現(xiàn)場(chǎng)被一個(gè)使用該設(shè)備的高優(yōu)先級(jí)的線程搶先后，配置可能會(huì)完成，并可能會(huì)造成設(shè)備的故障。為了避免這種情形，開發(fā)商應(yīng)當(dāng)使用操作系統(tǒng)所支持的信號(hào)量或者其它同步化的原語。[!--empirenews.page--]
內(nèi)存和寄存器的數(shù)據(jù)訛誤

　　大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)都采用了平面化的內(nèi)存模式，也并沒有內(nèi)存管理單元(MMU)，于是沒有硬件支持的內(nèi)存保護(hù)機(jī)制。即使采用能提供這種功能的處理器，也需要由開發(fā)商來實(shí)現(xiàn)對(duì)某些內(nèi)存區(qū)域的保護(hù)。進(jìn)程和線程將對(duì)其它進(jìn)程和線程的內(nèi)存空間有完全的訪問權(quán)限。這可能會(huì)造成下面所描述的、各種類型的內(nèi)存訛誤問題。

　　堆棧溢出

　　運(yùn)行時(shí)堆棧是在函數(shù)調(diào)用進(jìn)程中所使用的一種暫存空間，用于存儲(chǔ)局部變量。硬件寄存器指針(SP)將跟蹤堆棧指針的地址。如果你在高級(jí)的語言中編程，如C語音，則編譯器所生成的代碼將使用與C語言運(yùn)行時(shí)間模型相一致的堆棧。運(yùn)行時(shí)間模式定義了變量是如何存儲(chǔ)在堆棧中的以及編譯器將如何使用堆棧。局部的變量被放置在當(dāng)前的堆棧中。下面給出的例子描述了在堆棧上采用的某些關(guān)鍵性的內(nèi)存。

　　當(dāng)堆棧指針超出了其所指定的邊界時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)堆棧溢出。這將造成內(nèi)存的訛誤，并最終造成系統(tǒng)的失效。在上述的實(shí)例中，如果總的堆棧內(nèi)存區(qū)不足以容納所有的局部變量，堆棧溢出就會(huì)發(fā)生。

　　調(diào)試的一個(gè)技巧就是，如果你擔(dān)心溢出，一個(gè)好的做法，就是將堆棧安排在內(nèi)存邊界上，這樣，如果在調(diào)試過程中出現(xiàn)了溢出，則仿真器將觸發(fā)一個(gè)硬件異常提示。

　　開發(fā)商可以采用的一個(gè)技巧是，如果你擔(dān)心堆棧的溢出，你就應(yīng)當(dāng)考慮把它放在有效的內(nèi)存的邊界上。這樣，當(dāng)堆棧溢出時(shí)，設(shè)備將報(bào)告硬件異常，而不是造成其它內(nèi)存空間的訛誤。

　　在獨(dú)立運(yùn)行的應(yīng)用中，運(yùn)行時(shí)間堆棧可能就已經(jīng)夠用。然而，在使用任何一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)時(shí)，每個(gè)線程和過程都將有自己的堆棧?？紤]到性能方面的原因，大多數(shù)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的堆棧尺寸都是事先確定的，無法在運(yùn)行中動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。這意味著，如果針對(duì)特定的線程/進(jìn)程所選用的堆棧尺寸不恰當(dāng)?shù)脑?，堆棧溢出就?huì)發(fā)生。

　　如果應(yīng)用大量使用局部變量(如陣列和大的結(jié)構(gòu))，則將不得不按比例為其分配堆棧的空間。人們可以利用malloc() 來分配內(nèi)存，或者將其設(shè)置為靜態(tài)的全局變量，具體是何種方法，則取決于實(shí)際應(yīng)用。

　　有些實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可能會(huì)提供調(diào)試功能，例如保護(hù)位，以形成對(duì)堆棧溢出的防護(hù)。這些操作系統(tǒng)要么記錄關(guān)于堆棧溢出的錯(cuò)誤信息，要么提交一個(gè)異常報(bào)告，以便動(dòng)態(tài)地增加堆棧。最起碼當(dāng)前的大多數(shù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)都能報(bào)告堆棧以及已經(jīng)被線程和進(jìn)程所采用的堆棧的情況。

　　在任何中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)中，堆棧的分配方式都必須考慮到中斷服務(wù)例程所采用的空間。如果中斷例程的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使用當(dāng)前的執(zhí)行對(duì)象棧，則在這種情況下，每一個(gè)線程或進(jìn)程所擁有的最小的堆棧尺寸都應(yīng)大于或者等于執(zhí)行對(duì)象所要求的堆棧尺寸加上所有中斷例程累積起來所需要的最大的堆棧尺寸。

　　嵌入式系統(tǒng)開發(fā)商必須掌握各種應(yīng)用鏈接庫。例如，第三方的庫可能會(huì)認(rèn)定堆棧上為其提供了空間。

　　中斷服務(wù)例程代碼編寫時(shí)所出的問題：

　　在嵌入式系統(tǒng)中，一般情況下，出于性能方面的考慮，中斷服務(wù)例程是以匯編形式編寫的。中斷本質(zhì)上是異步的，在應(yīng)用執(zhí)行中的任何時(shí)刻都有可能出現(xiàn)。匯編層次上的中斷例程最常見的問題，是寄存器的訛誤。在中斷服務(wù)例程中所采用的寄存器所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，在寄存器被使用之前都必須被保存，而在從中斷服務(wù)例程返回之前，這些數(shù)據(jù)將被恢復(fù)。開發(fā)商必須了解狀態(tài)寄存器的情況，而任何一種ALU的操作都會(huì)改變其狀態(tài)。在這種情形中，ISR應(yīng)該保存其狀態(tài)并進(jìn)行恢復(fù)，仿佛它是一個(gè)已被使用的寄存器一般。

　　如果中斷例程是用C語言編寫 的，它們的開發(fā)也是為了使用當(dāng)前的堆棧，則開發(fā)商就應(yīng)該針對(duì)堆棧溢出情況進(jìn)行防護(hù)，即每個(gè)線程都應(yīng)該擁有足夠多的堆棧，來滿足中斷或者嵌套的中斷堆棧的要求。最好的做法，就是讓中斷例程的規(guī)模盡可能小，推遲處理過程，交給一個(gè)線程或者優(yōu)先級(jí)較低的中斷。在開發(fā)過程中，開發(fā)商可以在中斷的開始和結(jié)束部分添加診斷功能，對(duì)基礎(chǔ)的架構(gòu)中的寄存器的狀態(tài)進(jìn)行比較。

　　中斷嵌套可以讓一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的中斷搶先于低優(yōu)先級(jí)的中斷例程執(zhí)行。開發(fā)商應(yīng)該考慮到堆棧要求的峰值，并為其分配充足的空間(考慮最差的情況，即你的系統(tǒng)中的每一個(gè)中斷都被一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的中斷所搶先)。

　　而操作內(nèi)存映射寄存器(MMR)時(shí)，人們常常采用在線匯編以改善性能。例如，你在屏蔽中斷時(shí)，可能希望直接設(shè)定中斷屏蔽寄存器(IMASK)而不是執(zhí)行RTOS所提供的應(yīng)用軟件編程接口(API)。例如原子增加或減少操作常常是用匯編語言編寫的。在C函數(shù)中，這些宏匯編可能會(huì)被調(diào)用，在這種情況下，編譯器可能不了解在宏匯編中所使用的寄存器。因此這會(huì)導(dǎo)致寄存器的訛誤。有些編譯器具有匯編的擴(kuò)展版，可以將關(guān)于這些函數(shù)的更多的信息傳遞給編譯器，例如已被使用的寄存器、代碼在內(nèi)存中的位置等等。這將使得編譯器可以生成恰當(dāng)?shù)拇a。

　　有時(shí)，某些函數(shù)是以匯編語言編寫的，將被C函數(shù)所調(diào)用。如果匯編代碼并未按照C函數(shù)運(yùn)行時(shí)間調(diào)用規(guī)范來編寫，即按照編譯器所要求的那樣進(jìn)行，則會(huì)導(dǎo)致參數(shù)傳遞(argument passing)無效和訛誤。例如，C函數(shù)運(yùn)行時(shí)間模型可以規(guī)定前兩個(gè)參量必須通過寄存器R0和R1來傳遞，則匯編的實(shí)現(xiàn)方式就必須按照這種語法來編寫。在另一種情況下，運(yùn)行時(shí)間模型可能需要存儲(chǔ)堆棧上的函數(shù)的返回地址。如果匯編的實(shí)現(xiàn)方法并不符合運(yùn)行時(shí)間模型，則它可能會(huì)攪亂某些 寄存器，并帶來系統(tǒng)的故障。如果開發(fā)商使用混合模式的語言來避免這種類型的問題的話，開發(fā)商就必須清楚運(yùn)行時(shí)間模型。

　　編譯器：

　　編譯器的優(yōu)化，即使實(shí)現(xiàn)了邏輯上的正確性，有時(shí)也仍然會(huì)造成故障。采用低水平的設(shè)備驅(qū)動(dòng)器時(shí)，這一問題特別關(guān)鍵。重排指令是實(shí)現(xiàn)更高性能的常用方法，因?yàn)樘幚砥鞒３ＶС謫蝹€(gè)周期內(nèi)執(zhí)行多條指令。因此，編譯器將試圖調(diào)度指令，使得所有的指令時(shí)間片都得到充分的利用，即使這意味著在寄存器使用前很久就載入數(shù)據(jù)，或者在數(shù)值被計(jì)算完畢后很久，也讓內(nèi)存保持載入的數(shù)據(jù)。請(qǐng)看附圖，其中描述了這種內(nèi)存的移動(dòng)是如何發(fā)生的。