嵌入式Linux內(nèi)核調(diào)試技術(shù)解析

近年處理器技術(shù)發(fā)展速度加快，嵌入式領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化。特別是網(wǎng)絡的普及，消費電子異軍突起，嵌入式與互聯(lián)網(wǎng)成為最熱門的技術(shù)。在所有操作系統(tǒng)中，Linux是發(fā)展很快、應用很廣泛的一種操作系統(tǒng)。Linux的開放性以及其他優(yōu)秀特性使其成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的首選。
　　嵌入式系統(tǒng)開發(fā)所面臨的問題
　　嵌入式軟件開發(fā)有別于桌面軟件系統(tǒng)開發(fā)的一個顯著的特點是，一般需要一個交叉編譯和調(diào)試環(huán)境，即編輯和編譯軟件在主機上進行，編譯好的軟件需要下載到目標機上運行 ，主機和目標機之間建立起通訊連接，并傳輸調(diào)試命令和數(shù)據(jù)。由于主機和目標機往往運行著不同的操作系統(tǒng)，而且處理器的體系結(jié)構(gòu)也彼此不同，這就提高了嵌入式開發(fā)的復雜性。
　　總的來說，嵌入式開發(fā)所面臨的問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
　　涉及多種CPU 及多種OS
　　嵌入式的CPU或處理器包括MIPS、PPC、ARM，XScale等不同的架構(gòu)，這些處理器上運行的操作系統(tǒng)也有VxWorks、Linux、μC/OS、WinCE等多種。在一個企業(yè)之內(nèi)，可能會同時使用好幾種處理器，甚至幾種嵌入式操作系統(tǒng)。如果需要同時調(diào)試多種類型的電路板，那復雜性是可想而知的。這也是我們選用瑞士Abatron公司的BDI2000的原因之一，它是一款功能強大的JTAG/BDM通用仿真器。它支持：PPC/MIPS/ARM/XSCALE/ CPU12/CPU32/M-CORE/ColdFire等多種處理器，支持Windows/Linux系統(tǒng)平臺，以及多種第三方調(diào)試器，并且對Flash的燒寫也很簡單方便。
　　開發(fā)工具種類繁多
　　通常各種操作系統(tǒng)有各自的開發(fā)工具，在同一系統(tǒng)下開發(fā)的不同階段也會應用不同的開發(fā)工具。如在用戶的目標板開發(fā)初期，需要硬件仿真器來調(diào)試硬件系統(tǒng)和基本的引導程序，然后進行操作系統(tǒng)及驅(qū)動程序的開發(fā)調(diào)試。在調(diào)試應用程序階段可以使用交互式的開發(fā)環(huán)境進行軟件調(diào)試，在測試階段需要一些專門的測試工具軟件進行功能和性能的測試。在生產(chǎn)階段需要固化程序及出廠檢測等等。BDI2000可以適應開發(fā)的各個階段，節(jié)約企業(yè)的支出和簡化管理難度。
　　對目標系統(tǒng)的觀察和控制
　　由于嵌入式硬件系統(tǒng)千差萬別，軟件模塊和系統(tǒng)資源也多種多樣，要使系統(tǒng)能正常工作，軟件開發(fā)者必須要對目標系統(tǒng)具有完全的觀察和控制能力，例如硬件的各種寄存器、內(nèi)存空間、操作系統(tǒng)的信號量、消息隊列、任務、堆棧等。
　　此外，嵌入式系統(tǒng)變化更新比較快，對開發(fā)時間要求比較緊，需要一套功能強大的嵌入式軟件集成開發(fā)工具，用于嵌入式軟件開發(fā)的各個階段。美國 Ultimate Solution公司的LinuxScope-JTD調(diào)試器是一個很好的選擇，它專門用于配合BDI2000仿真器，特點是基于Eclipse的集成開發(fā)環(huán)境和插件技術(shù)；提供腳本定制功能實現(xiàn)目標機的特殊操作；提供Linux內(nèi)核調(diào)試功能，容易修改和觀察硬件寄存器；增強的MI接口可識別硬件斷點及模塊跟蹤；具有標準調(diào)試特性；支持Linux應用程序的開發(fā)；以及Windows/Linux系統(tǒng)平臺。
　　嵌入式Linux內(nèi)核的調(diào)試
　　編譯內(nèi)核
　　本文所調(diào)試的是MontaVista Linux，硬件是Intel Xscale PXA250。它擁有超過兩千多用戶和眾多的MontaVista Linux產(chǎn)品在市場上銷售，覆蓋從智能手機、高清電視、機器人、無線網(wǎng)絡設(shè)備到3G電信服務器等各種嵌入式應用。MontaVista Linux本身就是用BDI2000來開發(fā)調(diào)試的。
　　進入內(nèi)核源碼目錄下，即可配置完成相關(guān)選項并準備編譯。配置時不要選中KGDB（軟件基內(nèi)核調(diào)試），否則會和BDI2000沖突。為了調(diào)試內(nèi)核，需要在編譯時加入調(diào)試信息，否則將無法看到源代碼。修改內(nèi)核源碼根目錄下的Makefile，在CFLAGS宏定義的末尾添加“–ggdb”選項，保存退出。這里加上gdb是為了更好的使代碼適合gdb調(diào)試器，另外注意Makefile中的優(yōu)化設(shè)置，有些時候優(yōu)化會調(diào)整代碼執(zhí)行的順序，在內(nèi)核的調(diào)試階段，不要加入優(yōu)化選項。
　　內(nèi)核調(diào)試
　　首先，配置BDI2000，確保目標機的正常初始化。通常來說，到了調(diào)試內(nèi)核的階段，電路板的boot程序應該是正常的，可以利用boot來完成目標機的初始化；另一種方式是通過BDI的配置文件來完成。
　　接下來就是下載代碼進行調(diào)試。如果代碼已經(jīng)固化，那僅下載調(diào)試信息給仿真器即可；否則需要把代碼下載到RAM里運行，同時下載調(diào)試信息給仿真器。本文所用的是后一種方式。
　　由于Linux運行之后會啟動MMU而使地址重映射，因此第一個斷點通常在函數(shù)start_kernel（ ），而且只能設(shè)置為硬斷點。硬件斷點是非常有限的，有的處理器甚至只能設(shè)置一個。所以，在調(diào)試Linux內(nèi)核時，使用普通的GDB進行斷點設(shè)置會非常不方便。LinuxScope可以很方便的切換斷點模式，并支持軟斷點，使斷點的設(shè)置不再受到限制，為調(diào)試Linux內(nèi)核提供強有力的支持。具體步驟如下：
　　1） BDI配置文件的斷點模式：soft
　　2） LinuxScope配置默認的斷點模式：soft /hard 都可以
　　3） 用BDI下載壓縮的內(nèi)核：load 0x20000 zImage bin
　　4） 把PC指針指到內(nèi)核入口地址：ti 0x30000
　　5） 運行LinuxScope，在start_kernel處設(shè)置硬件斷點
　　6） go，停下來后再設(shè)置軟斷點即可
　　模塊內(nèi)核的調(diào)試
　　我們使用BDI2000來調(diào)試Linux內(nèi)核的另外一個重要原因，就是它可以支持調(diào)試內(nèi)核模塊。內(nèi)核模塊是一些可以讓操作系統(tǒng)內(nèi)核在需要時載入和執(zhí)行的代碼，這意味著它可以在不需要時由操作系統(tǒng)卸載。這種方式可以擴展操作系統(tǒng)內(nèi)核的功能，而不需要重新啟動系統(tǒng)，這一點對調(diào)試驅(qū)動程序的工程師特別有用。因為如果驅(qū)動程序編譯進內(nèi)核的話，會增加內(nèi)核的大小，還要改動內(nèi)核的源文件，而且不能動態(tài)的卸載，不利于調(diào)試，所以推薦使用模塊方式。
　　調(diào)試Linux 2.4內(nèi)核模塊
　　Linux 2.4內(nèi)核模塊的調(diào)試比較簡單，使用命令“insmod -m”來加載模塊。參數(shù)“-m”非常重要，它的功能是在把模塊加載到內(nèi)存時產(chǎn)生一個加載map表。然后通過LinuxScope調(diào)試器加載相應的調(diào)試信息。例如：
　　［root@lisl tmp］# insmod -m hello.o 》modaddr
　　查看模塊的加載信息文件modaddr如下：
　　.this 00000060 c88d8000 2**2
　　.text 00000035 c88d8060 2**2
　　.rodata 00000069 c88d80a0 2**5
　　……
　　.data 00000000 c88d833c 2**2
　　.bss 00000000 c88d833c 2**2
　　……
　　在這些信息中，我們用到的只有.text、.rodata、.data、.bss。當然，把相關(guān)的信息輸入LinuxScope調(diào)試器，它會把以上地址信息加入到gdb中進行模塊功能的調(diào)試。
　　這里需要注意的是對模塊進行編譯時，也需要增加“-g”選項。
　　另外，這種方法也存在一定的不足，它不能調(diào)試模塊初始化的代碼，因為此時模塊初始化代碼已經(jīng)執(zhí)行過了。如果初始化部分有問題，那么將無法進行調(diào)試。遇到這樣的情況可以修改代碼，延遲初始化部分的執(zhí)行。另外，也可以采用以下替代方法：當插入內(nèi)核模塊時，內(nèi)核模塊機制將調(diào)用函數(shù)sys_init_module （kernel/modle.c）執(zhí)行對內(nèi)核模塊的初始化。程序代碼片斷如下：
　　……
　　if （mod-》init ！= NULL）
　　ret = mod-》init（）;
　　……
　　在該語句上設(shè)置斷點，也能在執(zhí)行模塊初始化之前停下來。
　　調(diào)試Linux 2.6內(nèi)核模塊
　　在Linux 2.6內(nèi)核系統(tǒng)中，由于module-init-tools工具的更改，insmod命令不再支持-m參數(shù)，只有采取其他的方法來獲取模塊加載到內(nèi)核的地址。
　　比較簡單的方式是修改內(nèi)核配置文件，使系統(tǒng)支持CONFIG_KALLSYMS，這樣就可以把相關(guān)的符號信息放到目錄/sys下，然后通過LinuxScope調(diào)試器加載相應的調(diào)試信息。通過在模塊初始化函數(shù)中放置一下代碼，也可以獲得模塊加載到內(nèi)存中的地址，只是這樣要麻煩一些。
　　應用程序的調(diào)試
　　到了應用程序調(diào)試的階段，仿真器就可以“功成身退”了，剩下的調(diào)試任務就由LinuxScope調(diào)試器來獨自完成。此時只要在目標系統(tǒng)中啟動“gdbserver”，調(diào)試應用程序非常的方便。
　　結(jié)語
　　面向行業(yè)、應用和設(shè)備的嵌入式Linux工具軟件和嵌入式Linux操作系統(tǒng)平臺是未來發(fā)展的必然趨勢。跟蹤Linux的發(fā)展，符合標準，遵循開放是大勢所趨，嵌入式Linux也不例外。Linux調(diào)試技術(shù)的進步為Linux在嵌入式領(lǐng)域的應用廣泛性提供了保證。本文所講述的仿真器技術(shù)和調(diào)試器技術(shù)可以極大的提高開發(fā)者的效率。
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