嵌入式操作系统的调试 （2）
时间：2007-02-17 来源：PHP爱好者
二 片上调试（On Chip Debugging）及Embedded PowerPC Background Debug Mode
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。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。为了实现主机通信端口与目标板调试通信接口各引脚信号的匹配，二者往往通过一块简单的信号转换电路板连接（如下图所示）。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 DebugMode），IBM、TI的JTAG（Joint Test Action Debug，IEEE标准），还有OnCE、MPSD等等。下面以MPC860的EPBDM为例介绍片上调试方式。
图3
EPBDM的运作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。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，然后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）。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（cache）及存储管理单元（MMU）均不可用；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。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。
与插桩方式的缺点相对应，OCD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。随之而来的缺点是软件工作量的增加：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，还要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。
下面就以调试运行于MPC860的LINUX为例，说明用OCD方式调试OS启动的某些关键细节。
首先，LINUX内核模块以压缩后的zImage形式驻留于目标板的ROM，目标板上电后先运行ROM中指定位置的程序将内核移至RAM并解压缩，然后再跳转至内核入口处运行。要调试内核，必须在上电后ROM中的指令执行之前获得系统的控制权，即进入调试状态、设断点，这样才能开展调试过程。MPC860的EPBDM提供了这一手段。
MPC860没有类似X86的INT3那样能产生特定调试陷阱异常的指令，而操作系统内核往往具有针对非法指令的异常处理；为了使对内核正常运行的干扰降至最小，调试时应尽量设置硬件断点，而不是利用非法指令产生异常的"软"断点。
LINUX实现了虚存管理，嵌入式LINUX往往也有这一功能。地址空间从实到虚的转换在内核启动过程中便完成了，不论调试内核还是应用程序，调试器都无法回避对目标系统虚地址空间的访问，否则断点命中时根本无法根据程序计数器的虚地址显示当前指令，更不用说访问变量了。由于调试状态下转换旁视缓冲器（Translation Lookaside Buffer）无法利用，只能仿照LINUX内核TLB失效时的异常处理程序，根据虚地址中的页表索引位访问特定寄存器查两级页表得出物理页面号，从而完成虚实地址的转换。MPC860采用哈佛结构（Harvard architecture），指令和数据缓存分离设置（因为程序的指令段和数据段是分离的，这种结构可以消除取指令和访问数据之间的冲突），二者的TLB也分离设置；然而TLB失效时查找页表计算物理地址的过程是相同的，因为页表只有一个，不存在指令、数据分离的问题。虚实地址转换这一任务虽然完全落在了调试器一方，由于上述原因，再加上调试对象是嵌入式系统，一般不会有外存设备，不必考虑内存访问缺页的情况，所以增加的工作量并不大。
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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。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。为了实现主机通信端口与目标板调试通信接口各引脚信号的匹配，二者往往通过一块简单的信号转换电路板连接（如下图所示）。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 DebugMode），IBM、TI的JTAG（Joint Test Action Debug，IEEE标准），还有OnCE、MPSD等等。下面以MPC860的EPBDM为例介绍片上调试方式。
图3
EPBDM的运作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。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，然后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）。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（cache）及存储管理单元（MMU）均不可用；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。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。
与插桩方式的缺点相对应，OCD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。随之而来的缺点是软件工作量的增加：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，还要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。
下面就以调试运行于MPC860的LINUX为例，说明用OCD方式调试OS启动的某些关键细节。
首先，LINUX内核模块以压缩后的zImage形式驻留于目标板的ROM，目标板上电后先运行ROM中指定位置的程序将内核移至RAM并解压缩，然后再跳转至内核入口处运行。要调试内核，必须在上电后ROM中的指令执行之前获得系统的控制权，即进入调试状态、设断点，这样才能开展调试过程。MPC860的EPBDM提供了这一手段。
MPC860没有类似X86的INT3那样能产生特定调试陷阱异常的指令，而操作系统内核往往具有针对非法指令的异常处理；为了使对内核正常运行的干扰降至最小，调试时应尽量设置硬件断点，而不是利用非法指令产生异常的"软"断点。
LINUX实现了虚存管理，嵌入式LINUX往往也有这一功能。地址空间从实到虚的转换在内核启动过程中便完成了，不论调试内核还是应用程序，调试器都无法回避对目标系统虚地址空间的访问，否则断点命中时根本无法根据程序计数器的虚地址显示当前指令，更不用说访问变量了。由于调试状态下转换旁视缓冲器（Translation Lookaside Buffer）无法利用，只能仿照LINUX内核TLB失效时的异常处理程序，根据虚地址中的页表索引位访问特定寄存器查两级页表得出物理页面号，从而完成虚实地址的转换。MPC860采用哈佛结构（Harvard architecture），指令和数据缓存分离设置（因为程序的指令段和数据段是分离的，这种结构可以消除取指令和访问数据之间的冲突），二者的TLB也分离设置；然而TLB失效时查找页表计算物理地址的过程是相同的，因为页表只有一个，不存在指令、数据分离的问题。虚实地址转换这一任务虽然完全落在了调试器一方，由于上述原因，再加上调试对象是嵌入式系统，一般不会有外存设备，不必考虑内存访问缺页的情况，所以增加的工作量并不大。
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