SPARC平台模拟器源码级调试系统的研究与实现

ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ计算机工程与应用　２０１３，４９（４）　６５　ＳＰＡＲＣ平台模拟器源码级调试系统的研究与实现　范　涛　，刘高辉　，叶笑春　，李文明　，宋　爽　，范东睿　ＦＡＮ　Ｔａｏ　，ＬＩＵ　Ｇａｏｈｕｉ　，ＹＥ　Ｘｉａｏｃｈｕｎ　，ＬＩ　Ｗｅｎｍｉｎｇ　，ＳＯＮＧ　Ｓｈｕａｎｇ　，ＦＡＮ　Ｄｏｎｇｒｕｉ。　

１．西安理工大学自动化与信息工程学院，西安７１００４８　２冲国科学院计算技术研究所，北京１００１９０　１．Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００４８，Ｃｈｉｎａ　２．Ｉｎｉ￣ｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＣｏｍｐｕｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１９０，Ｃｈｉｎａ　

ＦＡＮ　Ｔａｏ，ＬＩＵ　Ｇａｏｈｕｉ，ＹＥ　Ｘｉａｏｃｈｕｎ，ｅｔ　ａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｕｒｃｅ－ｌｅｖｅｌ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　ＳＰＡＲＣ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｓｉｍｕｌａｔｏｒ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１３，４９（４）：６５—７０．　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ａ　ｂａｓｉｃ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｔｏｏｌ　ｆｏｒ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍｓ．ｓｉｍｕｌａｔｏｒ　１Ｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｈａｒｄｗａｒｅ／ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｃｏｄｅｓｉｇｎ．Ｉｔ　ｕｓｅｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｄｅａ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｈａｒｄｗａｒｅ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ　ａ　ｓｏｕｒｃｅ—ｌｅｖｅｌ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　ａ　ＳＰＡＲＣ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｅｔ　ｓｉｍｕｌａｔｏｒ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｎｅ　ｈａｎｄ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｅｓ　ａｎ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ＳＰＡＲＣ　ｃｒｏｓｓ　ｄｅｂｕｇｇｅｒ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｃｙｃｌｅ　ａｎｄ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｏ　ｒｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ　ａ　ｓｏｕｒｃｅ－・ｌｅｖｅｌ　ｄｅｂｕｇｇｅｒ，ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｖｅｒ・—　ｃｏｍｅｓ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ　ｏｆ　ｄｅｂｕｇ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒ　ｈａｎｄ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ａ　ｍｅｃｈａ—　ｎｉｓｍ　ｗｈｉｃｈ　ｂｉｎｄｓ　ｔｈｅ　ｓｏｕｒｃｅ－ｌｅｖｅｌ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｉｓ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｒｅｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｒｕｎ－　ｔｉｍｅ　ｏｖｅｒｈｅａｄ　ｏｆ　ｃｏｎｔｅｘｔ　ｓｗｉｔｃｈ　ａｎｄ　ｐｒｅｖｅｎｔｓ　ｓｃｒｅｅｎ　ｂｌｏｃｋｉｎｇ．Ｉｎ　ｓｕｍｍａｒｙ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｏｕｒｃｅ—ｌｅｖｅｌ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｒｓ　ｏｆ　ＳＰＡＲＣ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｅｎｔｉｒｅ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　ｓｙｓ－　ｔｅｍ　ａｒｅ　ｅｖａｌｕａｔｅｄ　ｏｎ　ＳｐａｒｃＳｉｍ　ｓｉｍｕｌａｔｏｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｏｕｒｃｅ－ｌｅｖｅｌ　ｄｅｂｕｇ；ＳＰＡＲＣ　ｖ８；ｓｉｍｕｌａｔｏｒ；ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　

摘要：软件模拟器采用软件思想模拟真实硬件＿３Ｌ作情况，作为嵌入式系统研究的基础研发工具，被广泛应用于体系结构　设计调优、软硬件协同设计领域。研究提出一种在ＳＰＡＲＣ指令集模拟器平台上实现源码级调试系统的方法，一方面该方　法使用ＳＰＡＲＣ交叉调试器对运行于ＳＰＡＲＣ指令集模拟器上的应用程序进行源码级调试，有效避免了单独实现源码级调　试器所带来的调试信息解析困难、可靠性难以验证的弊端；另一方面提出了在集成开发环境下源码级调试系统的高效集　成机制，有效解决了进程间切换延时开销大、界面僵死等问题，为ＳＰＡＲＣ平台嵌入式系统开发人员提供了一种支持图形化　界面的高可靠性源码级调试系统。通过具体实现分析，对整个调试系统进行了性能评估。　关键词：源码级调试；ＳＰＡＲＣ　ｖ８；模拟器；嵌入式系统　文献标志码：Ａ　中图分类号：ＴＰ３１１．５　ｄｏｉ：１０．３７７８￣．ｉｓｓｎ．１００２．８３３１．１２０４．０４４５　

１　引言　随着半导体技术和Ｓｏｃ的飞速发展，嵌入式系统的研　究与应用正在进入一个巅峰时代，从单核架构到多核甚至　众核架构的扩展，使得嵌入式系统的性能得到了前所未有　的提升。在硬件处理能力不断增强的过程中，嵌入式系统　软件的调试手段也在经历着一系列的变迁，原来的调试手　段已经逐渐退出历史舞台，新的调试手段也在不断涌现。　在嵌入式系统软件调试发展过程中，主要使用的调试手段　有以下几种：ＲＯＭ　Ｍｏｎｉｔｏｒ方式，ＲＯＭ　Ｅｍｕｌａｔｏｒ方式，在　线仿真（Ｉｎ—Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｅｍｕｌａｔｉｏｎ，ＩＣＥ）方式，片上调试（Ｏｎ．Ｃｈｉｐ　Ｄｅｂｕｇ，ＯＣＤ）方式，以及模拟器调试。由于嵌入式系统往　往是资源有限的计算机系统，ＣＰＵ处理速度慢、自带存储　

基金项目：国家自然科学基金面上项目（Ｎｏ．６１１７３００７）；国家自然科学基金青年基金项目（Ｎｏ．６１１０００１５）；北京市科技新星计划　（Ｎｏ．２０１０Ｂ０５８）。　作者简介：范涛（１９８８一），男，硕士研究生，主要研究方向：计算机体系结构、嵌入式系统；刘高辉（１９６８一），男，副教授，硕士生导师，主要　研究方向：数字移动通信、集成电路设计；叶笑春（１９８１－），男，博士，主要研究方向：片上多核结构设计、并行计算；李文明　（１９８８一），男，硕士研究生，主要研究方向：并行处理器设计；宋爽（１９８８一），女，硕士研究生，主要研究方向：计算机体系结构；　范东睿（１９７９一），男，博士生导师，主要研究方向：并行处理器设计。Ｅ．ｍａｉｌ：４４６９３４３４５＠ｑｑ．ｃｏｒｎ　收稿日期：２０１２．０４．２３　修回日期：２０１２—０７．１９　文章编号：１００２—８３３１（２０１３）０４—００６５—０６　ＣＮＫＩ出版日期：２０１２—１０—３１　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．２１２７．ＴＰ．２０１２１０３１．０９１４．００５．ｈｔｍｌ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ￣ａｆ算机工程与应用　空间小、没有人机交互设备等都给嵌入式系统软件调试带　来了很大阻碍。调试手段的好坏直接影响到软件的开发　效率以及软件的质量。为此，使用一套操作方便、安全性　好、可靠性高及性能完善的调试工具对嵌入式系统软件开　发人员来说非常重要。　本文所介绍的源码级调试系统所基于的ＳｐａｒｃＳｉｍ模　拟器是一个Ｃ语言实现的ＳＰＡＲＣ指令集处理器模拟器。　它可以直接加载运行ＳＰＡＲＣ应用程序或者操作系统可执　行文件。通过该调试系统，可以对模拟器上运行的ＳＰＡＲＣ　应用级程序或系统级程序进行源码级或指令级调试。　２　ＧＤＢ远程调试技术　ＧＤＢ是ＧＮＵ的开发工具系统中的核心工具，它是一　个功能强大的调试器，既支持多种硬件平台，也支持多种　程序语言；既可以用于本地调试，也可以用于远程调试，既　支持符号调试，也支持指令集的反汇编调试　。　嵌入式系统由于资源受限等原因，导致直接在嵌入式　系统上运行调试器变得不切实际，通常的做法是采用宿主　机（ｈｏｓｔ）］ＪＵ目标机（ｔａｒｇｅｔ）的远程调试方式。即宿主机上运　行调试器，目标机上运行被调试程序及调试代理，目标机　上的调试代理和宿主机上的调试器通过某种媒介，并遵循　一定的通信协议进行通信，从而使宿主机上的调试器获取　对目标程序的控制权，对程序进行源码级或指令级调试。　典型的嵌入式环境调试模型如图１所示，宿主机上运　行交叉ＧＤＢ调试器，目标机开发板上运行调试代理和被调　试程序。首先通过主机ＧＤＢ调试器提供的远程调试命令　建立宿主机与目标机之间的远程链接，物理上通常是使用　计算机串口通过ＴＣＰ／ＩＰ或ＵＤＰ方式进行远程链接，具体　通信方式详见３．１．１节。用户通过主机ＧＤＢ调试器向目标　机发送调试命令来调试运行于目标机开发板上的被调试　目标程序。目标机上的调试代理的作用是遵循宿主机ＧＤＢ　串行通信协议解析宿主机ＧＤＢ调试发送过来的调试命令　数据包，并将执行结果以相同的格式打包反馈给宿主机调　试器　宿主机（ｈｏｓｔ）　目标机开发板（ｔａｒｇｅｔ）　图１　嵌入式环境下的远程调试模　ＧＤＢ调试器提供了两种不同的调试代理用于支持远　程调试，ＧＤＢＳＥＲＶＥＲ方式和ＳＴＵＢ（插桩）方式。这两种　远程调试方式各有优缺点。ＧＤＢＳＥＲＶＥＲ是一个轻量级　的调试器，它可以独立运行于具有很少存储容量的目标系　统，非常适合于嵌入式环境；而ＳＴＵＢ方式需要通过链接器　把调试代理和被调试程序链接成一个可执行文件，如果程　序运行在没有操作系统的机器上，那么ＳＴＵＢ需要修改串　口驱动程序和操作系统异常处理。显然，对于在有嵌入式　操作系统支持下的开发而言，ＧＤＢＳＥＲＶＥＲ比ＳＴＵＢ程序　更容易使用。对于应用程序的调试，采用ＧＤＢＳＥＲＶＥＲ无　疑是最轻松和最合适的，但如果是调试操作系统内核，就　必须通过ＳＴＵＢ来和ＧＤＢ调试器交互”’　。　以上两种调试代理所完成的工作本质上是相同的，只不　过ＧＤＢＳＥＲＶＥＲ是“非侵入式”的调试代理，而ＳＴＵＢ是“侵　入式”的调试代理，在不同的应用场合下，它们都发挥着重要　的作用。目前基于硬件的调试手段主要有ＲＯＭ　Ｍｏｎｉｔｏｒ方　式、在线仿真（Ｉｎ—Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｅｍｕｌａｔｉｏｎ，ＩＣＥ）方式、片上调试　（Ｏｎ。Ｃｈｉｐ　Ｄｅｂｕｇ，ＯＣＤ）方式及ＪＴＡＧ调试方式。这些调试　手段可以完全不需要调试代理，但就目前而言，调试代理　仍是调试的基石，一方面是因为基于调试代理的调试方法　已经比较成熟，另一方面原因大多数开发工具都支持基于　调试代理的软件调试。基于硬件调试手段的优势在于它　能够接触到硬件底层，可以用来调试系统软件。但是基于　硬件的调试方式首先要求嵌入式软件开发人员拥有相应　的硬件资源，而这些资源大多数都价格昂贵；其次是这种　调试方式受到系统资源的限制，灵活性不高，也不支持高　级调试功能　。　由于模拟器调试技术的易用性、灵活性、可靠性等优　良特性，模拟器调试技术被广泛应用于嵌入式系统的软件　调试、体系结构设计、系统验证和调优等领域。模拟器是　采用软件手段完整地模拟了目标硬件体系结构，所以在目　标平台编译环境下编译的应用程序都可以不加修改地在　模拟器上运行。本文所设计的基于ＳＰＡＲＣ　Ｖ８指令集模　拟器的源码级调试系统也是采用远程调试，不同的是目标　系统跟宿主机是在同一台机器上，而模拟器充当的是目标　机的角色。由于模拟器设计的灵活性，在模拟器上可以很　容易地实现指令级的基本调试功能，如指令级单步，指令　级断点设置，全速运行，寄存器读写，内存读写等。这些基　本调试功能的实现为源码级调试系统中调试代理和模拟　器提供了可靠的接口，通过远程调试思想，利用主机上ＧＤＢ　调试器强大的调试功能可以很方便地对运行于模拟器上　的程序进行源码级或指令级调试，从而大幅提高软件的调　试效率。