近年處理器技術發(fā)展速度加快，嵌入式領域發(fā)生了翻天覆地的變化。特別是網絡的普及，消費電子異軍突起，嵌入式與互聯(lián)網成為最熱門的技術。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，并傳輸調試命令和數(shù)據。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構也彼此不同，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，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，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)及驅動程序的開發(fā)調試。在調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；提供腳本定制功能實現(xiàn)目標機的特殊操作；提供Linux內核調試功能，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內核的調試

編譯內核

本文所調試的是MontaVista Linux，硬件是Intel Xscale PXA250。它擁有超過兩千多用戶和眾多的MontaVista Linux產品在市場上銷售，覆蓋從智能手機、高清電視、機器人、無線網絡設備到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)調試的。

進入內核源碼目錄下，即可配置完成相關選項并準備編譯。配置時不要選中KGDB(軟件基內核調試)，否則會和BDI2000沖突。為了調試內核，需要在編譯時加入調試信息，否則將無法看到源代碼。修改內核源碼根目錄下的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調試器，另外注意Makefile中的優(yōu)化設置，有些時候優(yōu)化會調整代碼執(zhí)行的順序，在內核的調試階段，不要加入優(yōu)化選項。

內核調試

首先，配置BDI2000，確保目標機的正常初始化。通常來說，到了調試內核的階段，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試。如果代碼已經固化，那僅下載調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置一個。所以，在調試Linux內核時，使用普通的GDB進行斷點設置會非常不方便。LinuxScope可以很方便的切換斷點模式，并支持軟斷點，使斷點的設置不再受到限制，為調試Linux內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下載壓縮的內核：load 0x20000 zImage bin
4) 把PC指針指到內核入口地址：ti 0x30000
5) 運行LinuxScope，在start_kernel處設置硬件斷點
6) go，停下來后再設置軟斷點即可

模塊內核的調試

我們使用BDI2000來調試Linux內核的另外一個重要原因，就是它可以支持調試內核模塊。內核模塊是一些可以讓操作系統(tǒng)內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)內核的功能，而不需要重新啟動系統(tǒng)，這一點對調試驅動程序的工程師特別有用。因為如果驅動程序編譯進內核的話，會增加內核的大小，還要改動內核的源文件，而且不能動態(tài)的卸載，不利于調試，所以推薦使用模塊方式。
調試Linux 2.4內核模塊
Linux 2.4內核模塊的調試比較簡單，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存時產生一個加載map表。然后通過LinuxScope調試器加載相應的調試信息。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，把相關的信息輸入LinuxScope調試器，它會把以上地址信息加入到gdb中進行模塊功能的調試。
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，它不能調試模塊初始化的代碼，因為此時模塊初始化代碼已經執(zhí)行過了。如果初始化部分有問題，那么將無法進行調試。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：當插入內核模塊時，內核模塊機制將調用函數(shù)sys_init_module (kernel/modle.c)執(zhí)行對內核模塊的初始化。程序代碼片斷如下：
……
if (mod->init != NULL)
ret = mod->init();
……
在該語句上設置斷點，也能在執(zhí)行模塊初始化之前停下來。

調試Linux 2.6內核模塊

在Linux 2.6內核系統(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核的地址。

比較簡單的方式是修改內核配置文件，使系統(tǒng)支持CONFIG_KALLSYMS,這樣就可以把相關的符號信息放到目錄/sys下，然后通過LinuxScope調試器加載相應的調試信息。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存中的地址，只是這樣要麻煩一些。

應用程序的調試

到了應用程序調試的階段，仿真器就可以“功成身退”了，剩下的調試任務就由LinuxScope調試器來獨自完成。此時只要在目標系統(tǒng)中啟動“gdbserver”，調試應用程序非常的方便。

結語

面向行業(yè)、應用和設備的嵌入式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調試技術的進步為Linux在嵌入式領域的應用廣泛性提供了保證。本文所講述的仿真器技術和調試器技術可以極大的提高開發(fā)者的效率。

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