嵌入式系統(tǒng)與軟件-第九章

嵌入式系統(tǒng)與軟件軟件學(xué)院桑楠sn@實驗安排（暫定）14周-17周每周四下午14:30-17:30主樓A2-402肖xiaoxuanbai@163.com第九章嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境核心內(nèi)容交叉開發(fā)技術(shù)

仿真開發(fā)技術(shù)開發(fā)環(huán)境提供的主要工具GNU的嵌入式開發(fā)環(huán)境Windriver的集成開發(fā)環(huán)境仿真開發(fā)工具ARMulator9.1

概述需要協(xié)調(diào)管理特殊的硬件資源軟件具有可配置／裁剪特性需要交叉編譯環(huán)境需要交叉調(diào)試環(huán)境需要交叉測試環(huán)境需要軟件固化工具嵌入式軟件開發(fā)的特點：9.2

交叉開發(fā)技術(shù)宿主機：開發(fā)系統(tǒng)目標機：運行平臺宿主機與目標機的差別硬件的差別：處理器不同軟件環(huán)境的差異：宿主機上有通用操作系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件提供軟件開發(fā)支持，而目標機上除了調(diào)試代理沒有其他用于嵌入式軟件開發(fā)的軟件資源一、常用的交叉開發(fā)方法

1.CrashandBurn方式在宿主機上編寫代碼；在宿主機編譯應(yīng)用程序，生成可執(zhí)行程序；固化到目標機的非易失存儲器中；啟動運行，若正常則轉(zhuǎn)到⑦；不正確則根據(jù)目標板上的信號顯示估計錯誤位置，改寫代碼，糾正錯誤；返回②重復(fù)操作；固化完成。2.ROMMonitor方式

優(yōu)點：實時控制目標機的內(nèi)存單元、寄存器、設(shè)置斷點等調(diào)試采用目標機本身的串口、網(wǎng)口、USB口進行ROMMonitor的缺點：目標機內(nèi)存使用與運行時不一致目標機CPU運行與正常運行時不一致無法調(diào)試通訊占用端口的相關(guān)代碼若目標機CPU不支持硬件斷點，則無法調(diào)試設(shè)置數(shù)據(jù)斷點無法調(diào)試系統(tǒng)啟動初始化過程3.ROMEmulator方式

ROMEmulator是一種用于替代目標機上ROM芯片的設(shè)備，插接到目標機的ROM插座上，取代ROM內(nèi)存。4.ICE方式

ICE是一種用于替代目標機上CPU的設(shè)備，可執(zhí)行目標機CPU的指令，能將內(nèi)部的信號輸出到被控制的目標機，ICE上的內(nèi)存也可以被映射到用戶的程序空間。ICE方式

ICE方式的特殊調(diào)試功能

支持軟件斷點和硬件斷點的設(shè)置設(shè)置復(fù)雜的斷點和觸發(fā)器實時跟蹤目標程序的運行，并可實現(xiàn)選擇性的跟蹤支持“TimeStamp”允許用戶設(shè)置“Timer”提供“ShadowRAM”，支持非干擾調(diào)試查詢。5.OCD方式

采用兩級CPU模式：正常運行模式調(diào)試模式OCD方式的優(yōu)點

性價比高不占用目標機硬件資源調(diào)試環(huán)境和運行環(huán)境一致能調(diào)試底層系統(tǒng)軟件OCD方式的缺點

調(diào)試的實時性不如ICE強不支持非干擾調(diào)試查詢

CPU必須有OCD功能

OCD標準不統(tǒng)一BDM方式

二、交叉開發(fā)過程

軟件生成軟件調(diào)試軟件固化應(yīng)用軟件生成階段

應(yīng)用軟件調(diào)試階段

應(yīng)用軟件固化階段

三、交叉開發(fā)環(huán)境

9.3

仿真開發(fā)技術(shù)利用計算機仿真技術(shù)模擬嵌入式硬件系統(tǒng)的真實運行，使軟件開發(fā)和系統(tǒng)集成在虛擬平臺上進行。仿真開發(fā)結(jié)構(gòu)示意

一、仿真開發(fā)分類

純軟件仿真開發(fā)是利用宿主機上的資源模擬目標機實際硬件電路的運行，構(gòu)建應(yīng)用軟件運行所需的虛擬硬件環(huán)境，提供嵌入式軟件開發(fā)和調(diào)試的真正“軟”平臺。純軟件仿真開發(fā)分類

應(yīng)用級仿真編程接口級仿真硬件級仿真編程接口級仿真

硬件級仿真開發(fā)

二、仿真開發(fā)過程

三、仿真開發(fā)環(huán)境

四、仿真開發(fā)環(huán)境的特點

不需要提供實際的目標硬件環(huán)境；編譯調(diào)試都在宿主機上進行；可以最大限度地保證軟硬件同時開發(fā)。9.4

開發(fā)環(huán)境提供的主要工具項目管理器項目配置工具源碼編輯工具

CRTL（CRun-TimeLibrary）

RTOS開發(fā)支持包交叉編譯工具交叉調(diào)試工具交叉測試性能分析工具等一、項目管理

項目管理器一般采用通用的工作區(qū)、項目管理方式，這能較好的支持在不同硬件平臺上的軟件移植。二、配置剪裁

編譯參數(shù)配置工具實時操作系統(tǒng)裁剪工具內(nèi)存配置工具三、源碼編輯

標準的文本編輯功能支持語法色彩簡單的語法檢查功能源程序函數(shù)索引、定位功能顯示調(diào)試信息文本保存的多中備份機制四、目標代碼編譯生成

嵌入式開發(fā)環(huán)境一般提供工具make，它利用編譯器、匯編器、鏈接器和庫管理器等工具，根據(jù)Makefile文件，將源代碼轉(zhuǎn)換成目標代碼。1.目標代碼生成

設(shè)置目標代碼生成選項；

C源碼預(yù)處理；

C源碼編譯成匯編代碼；匯編語言程序轉(zhuǎn)換為可重定位目標代碼；可重定位的目標模塊鏈接成目標程序；文件格式轉(zhuǎn)換。2.目標代碼優(yōu)化

合并已有常量；公共子表達式刪除；控制流優(yōu)化；寄存器變量使用優(yōu)化；循環(huán)優(yōu)化；冗余指令刪除；窺孔優(yōu)化。3.編譯提示信息

錯誤信息：致命錯誤、一般錯誤和警告。

過程信息

狀態(tài)信息4.庫的使用

在開發(fā)大中型軟件時，常把一些編譯好的模塊統(tǒng)一放到一個庫中。5.常用文件后綴

.c或.cc或.cxx

或.cpp.h或.hpp.s或.asm.S.o或.obj.a或.lib.elf.omf.hex.eep.cof.s19或.s2或.s3.lst.map五、交叉調(diào)試

硬件：連接線、仿真頭、轉(zhuǎn)換板等連接硬件。

軟件：宿主機端調(diào)試工具和目標機端ROMMonitor交叉調(diào)試定義

調(diào)試器能夠通過某種方式遠程控制目標機上被調(diào)試程序的運行模式，并且具備查看和修改目標機上的內(nèi)存、寄存器以及被調(diào)試程序中的變量等功能。交叉調(diào)試與非交叉調(diào)試比較交叉調(diào)試本地調(diào)試Debugger和Debuggee運行在不同的計算機Debugger和Debuggee運行在同一臺計算機運行時不一定需要操作系統(tǒng)的調(diào)試支持運行時需要操作系統(tǒng)的調(diào)試支持Debuggee裝載由Debugger或Loader完成Debuggee的裝載是由專門的Loader程序完成需要通過外部通信的方式來控制Debuggee不需要外部的通信方式來控制Debuggee可以直接調(diào)試不同指令集的程序只能直接調(diào)試相同指令集的程序1.交叉調(diào)試支持的功能內(nèi)存寄存器斷點程序執(zhí)行變量顯示模式

OS-aware交叉調(diào)試的過程框架2.任務(wù)級調(diào)試調(diào)試對象是一個用戶任務(wù)（集），用戶可以自定義調(diào)試范圍。任務(wù)級調(diào)試3.系統(tǒng)級調(diào)試即內(nèi)核級調(diào)試，調(diào)試對象是目標機上除調(diào)試代理外的所有程序，包括RTOS本身。系統(tǒng)級調(diào)試六、測試工具

嵌入式系統(tǒng)采用交叉測試，即嵌入式軟件測試必須由宿主機和目標機協(xié)作完成。1.仿真測試

仿真測試環(huán)境可分為兩類：一類要求用戶改寫I/O部分代碼。無須改動其源程序。純軟件仿真測試結(jié)構(gòu)框架

2.交叉測試

目標機的測試分為兩類：仿真信號測試實物測試仿真信號測試的結(jié)構(gòu)

3.實時性測試

靜態(tài)時間分析。不執(zhí)行被測程序，通過分析估計執(zhí)行時間。

動態(tài)實時檢測。實際執(zhí)行程序測試程序的時間特性。包括：在線仿真器、模擬器、插樁技術(shù)。

七、版本管理工具

版本管理是用戶對項目文件版本進行控制的工具軟件。包括：版本庫和臨時工作區(qū)。嵌入式軟件版本管理工具的功能結(jié)構(gòu)

9.5GNU的嵌入式開發(fā)環(huán)境

C編譯器gccmake工具GNUmake

開發(fā)調(diào)試工具gdb一、gcc編譯器

gcc前端支持多種高級語言，后端支持多種平臺，它是一個交叉編譯器，可以把源代碼編譯成在其他硬件平臺上運行的可執(zhí)行代碼。1.編譯過程預(yù)處理編譯匯編鏈接預(yù)處理執(zhí)行源代碼的預(yù)處理，處理完后生成一個以“.i”為后綴名的臨時文件。編譯將預(yù)處理后生成的源代碼編譯為后綴名為“.s”的匯編文件。匯編

gcc調(diào)用as匯編程序，將匯編語言代碼轉(zhuǎn)換為以“.o”為后綴名的中間代碼。鏈接它調(diào)用ld鏈接程序，把所有目標代碼以及靜態(tài)庫，定位鏈接生成最后的可執(zhí)行程序或其他格式的目標文件。test.c的gcc編譯過程2.交叉gcc的生成

gcc的缺省配置是本地使用。當(dāng)需要交叉gcc時，可利用Linux環(huán)境下提供的一些交叉gcc生成工具來重新配置。交叉gcc的生成過程重新生成binutils。生成LlinuxHeaders

生成目標機的Glibc

生成交叉GCC二、項目編譯管理工具make

自動查找已修改的源程序文件，并對它們進行編譯；對未改動的源程序文件，如果已經(jīng)存在中間代碼文件（“.o”文件）則不再重新編譯；將所有的中間代碼文件和庫鏈接成可執(zhí)行文件或特定格式的目標文件。1.Make命令一般語法規(guī)則是：

make[-fmakefile文件名][其他選項][目標名]說明：

-f：makefile的文件名字。

目標名：所要更新目標的名稱。兩個常用選項。：

-n：只顯示生成指定目標的各命令，并不實際執(zhí)行，可以用來檢查make文件中的錯誤。

-p：顯示并檢查make文件中的所有宏定義和所有內(nèi)部規(guī)則。2.目標

make文件中描述了目標依賴于哪些源程序文件，按照什么樣的規(guī)則生成。目標的狀態(tài)取決于所依賴的源程序文件狀態(tài)。語法規(guī)則為：3.宏宏的基本定義語法為：

marco_name=string而已定義宏的引用語法規(guī)則為：$(marco_name)或者

${marco_name}Make內(nèi)部預(yù)定義的宏

$@，表示當(dāng)前目標名。等價于語句：Make內(nèi)部預(yù)定義的宏

$*，表示去掉后綴的當(dāng)前目標名。

$<，表示目標所依賴文件名。4.符號

%，對應(yīng)于具體的文件名

@，表示命令本身不在屏幕上顯示。

:=，變量定義，它不是“=”符號。符號例如：結(jié)果是：5.函數(shù)語法格式如下：

$(funcnamearg1,…,argn)例如：

SOURCES=$(wildcard*.c)

產(chǎn)生一個所有以“.c”為后綴名的文件的列表，然后存入變量SOURCES中。

6.注釋

make文件的注釋是用“#”開頭的語句。示例三、gdb調(diào)試器

運行程序，給程序加所需的執(zhí)行條件。使程序在斷點處暫停運行，并可繼續(xù)運行。顯示程序暫停時的狀態(tài)信息。允許在暫停的程序中改變運行數(shù)據(jù)。程序運行出錯后可以事后分析。支持遠程調(diào)試。支持源碼級調(diào)試。支持反匯編調(diào)試，可調(diào)試無源碼的可執(zhí)行文件。1.Gdb的調(diào)試過程串口接收程序test.cLinux環(huán)境下test.c的gdb調(diào)試過程2.Gdb遠程調(diào)試宿主機端通訊系統(tǒng)目標機端宿主機端宿主機上運行g(shù)db主程序。調(diào)試步驟為：設(shè)置目標機的類型、通訊斷口及通訊協(xié)議建立宿主機與目標機的連接，進行與本地調(diào)試相似的遠程調(diào)試。宿主機端

gdb提供了target命令設(shè)置調(diào)試目標及其參數(shù)，建立連接，格式為：

targetTYPEPARAMETERSgdb的target命令支持多種類型的調(diào)試目標設(shè)備。宿主機端在使用串口建立連接之前，須使用Set命令設(shè)置串口的波特率。如：setremotebaud9600

再使用targetremote命令指定與目標機進行串口通信端口。如：targetremote/dev/ttyS0通訊系統(tǒng)

硬件上：串口、并口、以太網(wǎng)口及紅外等。

軟件上：專門定義的遠程串行通信協(xié)議（RSP）。調(diào)試信息數(shù)據(jù)包

調(diào)試信息，開始用“$”符號作為標記，結(jié)尾用“#”符號。

校驗碼，調(diào)試信息中所有字符的ASCII碼相加后取256的模。格式：$<調(diào)試信息>#<校驗碼>常用調(diào)試命令及參數(shù)

g：查看CPU寄存器的值。

G：設(shè)置CPU寄存器的值。

maddr,count：從addr位置開始讀count字節(jié)的數(shù)據(jù)。

Maddr,count：從addr位置開始寫count字節(jié)的數(shù)據(jù)。常用調(diào)試命令及參數(shù)

c/caddr：在當(dāng)前位置繼續(xù)執(zhí)行程序或從addr開始。

s/saddr：單步執(zhí)行當(dāng)前的指令,或者執(zhí)行到指定的addr位置.k：殺掉target進程。

?：打印出最近的信號值。

T：允許目標機的stub發(fā)送gdb需要的基本寄存器信息。目標機端目標機上嵌入式應(yīng)用程序須預(yù)先加入了stub模塊，由stub模塊進行串口驅(qū)動，進行g(shù)db遠程串口通信協(xié)議的解析，完成與宿主機gdb的通訊。目標機端Stub種類

i386-stub.c：適用于Intel公司386系列及兼容處理器。

m68k-stub.c：適用于Motorola公司68K系列處理器。

sh-stub.c：適用于HitachiSH結(jié)構(gòu)的處理器。

sparc-stub.c：適用于SPARC結(jié)構(gòu)的處理器。

sparcl-stub.c：適用于Fujitsugongsi的SPARCLITE結(jié)構(gòu)的處理器。stub的基本結(jié)構(gòu)在被調(diào)試應(yīng)用程序的main()函數(shù)的開頭插入兩行代碼：

利用breakpoint()函數(shù)在程序中插入一個斷點，使gdb獲得控制權(quán)。以i386-stub.c文件為例：Set_debug_traps()函數(shù)的源碼如下：Breakpoint()函數(shù)的源碼如下：BREAKPOINT宏定義如下：系統(tǒng)接到中斷請求后，調(diào)用中斷向量為3的中斷處理函數(shù)，實現(xiàn)代碼如下：9.6

Windriver集成開發(fā)環(huán)境Tornado

內(nèi)核配置程序WindConfig

裝載器Loader

圖形化的交叉調(diào)試器WDB

工程配置工具集成仿真VxSimC/C++編譯環(huán)境ObjectCenter

命令行執(zhí)行工具WindSh

Tornado軟件邏輯分析儀WindView

對象瀏覽器Browser顯示軟件包ScopePak

性能檢測包PerformancePak

代碼測試器CodeTest

編輯工具VisualSlickEditforTornadoWorkbenchTornado與Workbench的功能對比

表9-2Tornado與Workbench的功能對比項目TornadoWorkbench工程管理基本的工程管理功能，對分級的工程支持有限，并需要手工修改makefile等，比較麻煩支持任意工程的分級控制，采用簡單的“拖拉”方式就可完成工程項目的分級構(gòu)造，非常方便工程項目支持可下載的工程項目和客戶化的VxWorks工程項目增加了對系統(tǒng)引導(dǎo)工程項目、實時進程工程項目、文件系統(tǒng)工程項目、用戶定制工程項目等的支持編輯器功能比較簡單，只