开发环境及开发工具.ppt
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1、浙江大学计算机学院浙江大学计算机学院陈文智陈文智20052005年年3 3月月(4)开发环境及开发工具开发环境及开发工具嵌入式系统开发周期长和产品需要及时上嵌入式系统开发周期长和产品需要及时上市成为矛盾。市成为矛盾。选择是一个问题,学习掌握嵌入式系统结选择是一个问题,学习掌握嵌入式系统结构及其应用更需要时间。构及其应用更需要时间。以开发工具和技术咨询为基础以开发工具和技术咨询为基础的整体解决的整体解决方案是迫切需要的。方案是迫切需要的。2 21.开发环境开发环境 嵌入式系统,是指嵌入于嵌入式系统,是指嵌入于嵌入式系统,是指嵌入于嵌入式系统,是指嵌入于宿主设备,智能地完成宿宿主设备,智能地完成宿
2、宿主设备,智能地完成宿宿主设备,智能地完成宿主设备功能的计算主设备功能的计算主设备功能的计算主设备功能的计算/控制系控制系控制系控制系统。统。统。统。嵌入式系统开发环境,是嵌入式系统开发环境,是嵌入式系统开发环境,是嵌入式系统开发环境,是以开发嵌入式系统为目的以开发嵌入式系统为目的以开发嵌入式系统为目的以开发嵌入式系统为目的的工程开发环境。包括办的工程开发环境。包括办的工程开发环境。包括办的工程开发环境。包括办公环境支持、软件支持、公环境支持、软件支持、公环境支持、软件支持、公环境支持、软件支持、硬件设备支持。硬件设备支持。硬件设备支持。硬件设备支持。软件支持,指集成开发环软件支持,指集成开发
3、环软件支持,指集成开发环软件支持,指集成开发环境与软件模拟器等。境与软件模拟器等。境与软件模拟器等。境与软件模拟器等。硬件支持,指仿真器、目硬件支持,指仿真器、目硬件支持,指仿真器、目硬件支持,指仿真器、目标板、示波器、烧录器等。标板、示波器、烧录器等。标板、示波器、烧录器等。标板、示波器、烧录器等。嵌入式软件嵌入式应用软件嵌入式操作系统嵌入式硬件嵌入式硬件模块嵌入式处理器嵌入式开发工具3 31.1集成开发系统集成开发系统 集成开发系统提供高效明晰的图形化的嵌入式应用软集成开发系统提供高效明晰的图形化的嵌入式应用软集成开发系统提供高效明晰的图形化的嵌入式应用软集成开发系统提供高效明晰的图形化的
4、嵌入式应用软件开发平台,包括一整套完备的面向嵌入式系统的开件开发平台,包括一整套完备的面向嵌入式系统的开件开发平台,包括一整套完备的面向嵌入式系统的开件开发平台,包括一整套完备的面向嵌入式系统的开发和调试工具发和调试工具发和调试工具发和调试工具。一般包括编辑器、编译器、连接器、调试器、工程管一般包括编辑器、编译器、连接器、调试器、工程管一般包括编辑器、编译器、连接器、调试器、工程管一般包括编辑器、编译器、连接器、调试器、工程管理器和底层调试接口设备(理器和底层调试接口设备(理器和底层调试接口设备(理器和底层调试接口设备(BDM/JTAGBDM/JTAG仿真器)等仿真器)等仿真器)等仿真器)等
5、4 4编译器编译器嵌入式语言:嵌入式语言:嵌入式语言:嵌入式语言:ASM/Ada/C/C+/EC/Java/OP/STAPLASM/Ada/C/C+/EC/Java/OP/STAPLEC+EC+标准标准标准标准 9595年初在日本成立的年初在日本成立的年初在日本成立的年初在日本成立的Embedded C+Embedded C+技术委员技术委员技术委员技术委员 5 5嵌入式c/c+编译器 交叉编译能力:能够在pc/unix平台上生成其他cpu平台目标代码连接/定址器:因为无法提供dos/windows的动态定位执行能力。嵌入式一般需要目标代码静态定位到具体地址,定址器完成这一工作。启动代码:初始
6、化处理器和c语言堆栈区等环境的汇编码。EC+:针对嵌入式的一些实时要求等特点,对标准C+语言规范的修改扩充。嵌入式嵌入式C/C+开发环境开发环境6 6嵌入式嵌入式C/C+开发环境开发环境l提供目标调试(remote/rom monitor)能力.l另外还有其他一些地方需要注意,如I/O库,大小尾段等。l主流嵌入式编译器:GNU、CADUL、CodeWarrior、GreenHill、Diab/SDS、IAR、BC/VC+Toolkit.等7 7(1 1)早期的)早期的)早期的)早期的FranklinSoftwareInc.FranklinSoftwareInc.的的的的A51/C51A51/C
7、51与与与与KeilSoftwareInc.KeilSoftwareInc.的的的的 CA51/CA251/CA166CA51/CA251/CA166赫赫有名。赫赫有名。赫赫有名。赫赫有名。(2 2)TASKINGInc.TASKINGInc.的的的的C/C+/EC+C/C+/EC+编译器编译器编译器编译器(3 3)CAD-ULInc.CAD-ULInc.提供一整套工具开发提供一整套工具开发提供一整套工具开发提供一整套工具开发X86X86和和和和68K68K。(4 4)WindRiverSystems,Inc.WindRiverSystems,Inc.的的的的DiabC/C+DiabC/C+C
8、ompilerSuiteCompilerSuite,应用于,应用于,应用于,应用于pSOSpSOS系统。系统。系统。系统。(5 5)IBMIBM的的的的HighC/C+CompilerHighC/C+Compiler,针对,针对,针对,针对PowerPCPowerPC。(6 6)GNUGNU组织的免费编译器组织的免费编译器组织的免费编译器组织的免费编译器GCCGCC8 81.1.2调试器调试器远程调试远程调试调试器还是运行于通用桌面操作系统的应调试器还是运行于通用桌面操作系统的应用程序,被调试的程序则运行于基于特定用程序,被调试的程序则运行于基于特定硬件平台的嵌入式操作系统(目标操作系硬件平台
9、的嵌入式操作系统(目标操作系统)。统)。9 9问题:问题:调试器与被调试程序如何通信调试器与被调试程序如何通信被调试程序产生异常如何及时通知调试器被调试程序产生异常如何及时通知调试器调试器如何控制、访问被调试程序调试器如何控制、访问被调试程序调试器如何识别有关被调试程序的多任务调试器如何识别有关被调试程序的多任务信息并控制某一特定任务信息并控制某一特定任务调试器如何处理某些与目标硬件平台相关调试器如何处理某些与目标硬件平台相关的信息(如目标平台的寄存器信息、机器的信息(如目标平台的寄存器信息、机器代码的反汇编等)。代码的反汇编等)。1010两种远程调试的方案两种远程调试的方案一 插桩(stub
10、)二 片上调试(On Chip Debugging)11111.1.2.1插桩(插桩(stub)在目标操作系统和调试器内分别加入某些功能模块,二者互通信息来进行调试。1212步骤步骤1.调试器与被调试程序的通信调试器与被调试程序的通信调试器与目标操作系统通过指定通信端调试器与目标操作系统通过指定通信端口(串口、网卡、并口)遵循远程调试口(串口、网卡、并口)遵循远程调试协议进行通信协议进行通信。2.被调试程序产生异常及时通知调试器被调试程序产生异常及时通知调试器目标操作系统的所有异常处理最终都要目标操作系统的所有异常处理最终都要转向通信模块,告知调试器当前的异常转向通信模块,告知调试器当前的异常
11、号;调试器据此向用户显示被调试程序号;调试器据此向用户显示被调试程序产生了哪一类异常。产生了哪一类异常。13133.调试器控制、访问被调试程序调试器控制、访问被调试程序调试器控制、访问被调试程序调试器控制、访问被调试程序调试器的这类请求实际上都将转换成对被调试调试器的这类请求实际上都将转换成对被调试调试器的这类请求实际上都将转换成对被调试调试器的这类请求实际上都将转换成对被调试程序的地址空间或目标平台的某些寄存器的访程序的地址空间或目标平台的某些寄存器的访程序的地址空间或目标平台的某些寄存器的访程序的地址空间或目标平台的某些寄存器的访问,目标操作系统接收到这样的请求可以直接问,目标操作系统接收
12、到这样的请求可以直接问,目标操作系统接收到这样的请求可以直接问,目标操作系统接收到这样的请求可以直接处理。对于没有虚拟存储概念的简单的嵌入式处理。对于没有虚拟存储概念的简单的嵌入式处理。对于没有虚拟存储概念的简单的嵌入式处理。对于没有虚拟存储概念的简单的嵌入式操作系统而言,完成这些任务十分容易。操作系统而言,完成这些任务十分容易。操作系统而言,完成这些任务十分容易。操作系统而言,完成这些任务十分容易。4.调试器识别有关被调试程序的多任务信息并控调试器识别有关被调试程序的多任务信息并控调试器识别有关被调试程序的多任务信息并控调试器识别有关被调试程序的多任务信息并控制某一特定任务制某一特定任务制某
13、一特定任务制某一特定任务由目标操作系统提供相关接口。目标系统根据由目标操作系统提供相关接口。目标系统根据由目标操作系统提供相关接口。目标系统根据由目标操作系统提供相关接口。目标系统根据调试器发送的关于多任务的请求,调用该接口调试器发送的关于多任务的请求,调用该接口调试器发送的关于多任务的请求,调用该接口调试器发送的关于多任务的请求,调用该接口提供相应信息或针对某一特定任务进行控制,提供相应信息或针对某一特定任务进行控制,提供相应信息或针对某一特定任务进行控制,提供相应信息或针对某一特定任务进行控制,并返回信息给调试器。并返回信息给调试器。并返回信息给调试器。并返回信息给调试器。14145.调试
14、器处理与目标硬件平台相关的信息调试器处理与目标硬件平台相关的信息第第2条所述调试器应能根据异常号识别目条所述调试器应能根据异常号识别目标平台产生异常的类型也属于这一范畴,标平台产生异常的类型也属于这一范畴,这类工作完全可以由调试器独立完成。这类工作完全可以由调试器独立完成。支持多种目标平台正是支持多种目标平台正是GNUGDB的一大的一大特色。特色。1515目标操作系统支持目标操作系统支持远程调试协议的通信模块(包括简单的设备驱动)多任务调试接口改写异常处理的有关部分定义一个设置断点的函数1616目目标操作系操作系统添加的添加的这些模些模块统称称为“插插桩”若若驻留于留于ROM中中则称称为ROM
15、 monitor1717通用操作系统也有具备这类模块编译运行于Alpha、Sparc或PowerPC平台的LINUX内核时若将kgdb开关打开,就相当于加入了插桩。1818调试过程调试过程1919Stub的本质的本质软件接管目标系统的全部异常处理(exception handler)及部分中断处理在其中插入调试端口通信模块,与主机的调试器交互不用于正式发布的调试版20201.1.2.2.片上调试片上调试OnChipDebugging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
16、种资源(寄存器、存储器等)并执行指令。主机通信端口与目标板调试通信接口信号转换电路板连接21212222内嵌的控制模块以基于微码的监控器(以基于微码的监控器(microcode monitormicrocode monitor)或纯硬件资源的形式存在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)包括一些提供给用户的接口(如断点寄存器等)具体产品有具体产品有Motorola CPU16Motorola CPU16、CPU32CPU32、ColdfireColdfire系列的系列的BDMBDM(Background Debug Background Debug ModeMode)
17、,),Motorola PowerPC 5xxMotorola PowerPC 5xx、8xx8xx系列系列的的EPBDMEPBDM(Embedded PowerPC Embedded PowerPC Background Debug ModeBackground Debug Mode),IBMIBM、TITI的的JTAGJTAG(Joint Test Action DebugJoint Test Action Debug,IEEEIEEE标准)标准),还有,还有OnCEOnCE、MPSDMPSD等等。等等。2323EPBDM的执行流程相当于用处理器内嵌的调试模块接管中断及异常相当于用处理器内
18、嵌的调试模块接管中断及异常处理。处理。用户通过设置调试许可寄存器(用户通过设置调试许可寄存器(debug enable debug enable registerregister)来指定哪些中断或异常发生后处理器)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。直接进入调试状态,而不是操作系统的处理程序。1 1、进入调试状态后,内嵌调试模块向外部调试、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主机调试器2 2、调试器便可通过调试模块使处理器执行任意、调试器便可通过调试模块使处理
19、器执行任意系统指令(相当于特权态)。系统指令(相当于特权态)。24243、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4、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。5、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。2525OCD(片上调试片上调试)的特点的特点优点:优点:不占用目标平台的通信端口不占用目标平台的通信端口 无需修改目标操作系统无需修改目标操作系统 能调试目标操作系统的启动过程,大大方便了系统开能调试目标操作系
20、统的启动过程,大大方便了系统开发人员。发人员。缺点:缺点:软件工作量的增加软件工作量的增加 调试器端除了需补充对目标操作系统多任务的识别、调试器端除了需补充对目标操作系统多任务的识别、控制等模块控制等模块 针对使用同一芯片的不同开发板编写各类针对使用同一芯片的不同开发板编写各类ROMROM、RAMRAM的初始化程序。的初始化程序。26261.1.2.3其他调试器原理其他调试器原理代理(agent)针对针对:实时系统,延时,监视点实时系统,延时,监视点trace pointtrace point处理方法:处理方法:监视点缓冲监视点缓冲 命中监视点,自动唤醒代理,存储数据到缓冲命中监视点,自动唤醒
21、代理,存储数据到缓冲 代理无需通讯代理无需通讯实时监视的可行方案实时监视的可行方案CPU支持串行工作支持串行工作针对指令缓冲针对指令缓冲针对指令缓冲针对指令缓冲2727典型调试器典型调试器AppliedMicrosystemsCorp的的AMCSystemDebugTools(CodeWarrior)SignumSystemsCorp.的的ChameleonDebuggerWindRiverSystems,Inc.的的SingleStep/TornadoDebugger28281.1.3测试器测试器嵌入式微处理器测试嵌入式微处理器测试基准联盟基准联盟基准联盟基准联盟EEMBCEEMBCEEMB
22、CEEMBC(EDN Embedded EDN Embedded EDN Embedded EDN Embedded Microprocessor Benchmark ConsortiumMicroprocessor Benchmark ConsortiumMicroprocessor Benchmark ConsortiumMicroprocessor Benchmark Consortium)EEMBCEEMBCEEMBCEEMBC的测试标准:的测试标准:的测试标准:的测试标准:40404040多种用于消费类产品、多种用于消费类产品、多种用于消费类产品、多种用于消费类产品、网络、办公自动化
23、及电信产品、汽车和工业网络、办公自动化及电信产品、汽车和工业网络、办公自动化及电信产品、汽车和工业网络、办公自动化及电信产品、汽车和工业产品的产品的产品的产品的C C C C语言综合算法。语言综合算法。语言综合算法。语言综合算法。仅凭硬件凭硬件测试工具来自工具来自动记录嵌入式系嵌入式系统的完整的完整测试结果是不可能的果是不可能的2929测试程序的选择测试程序的选择实际程序实际程序实际程序实际程序用户用来解决问题的实际工作程序用户用来解决问题的实际工作程序用户用来解决问题的实际工作程序用户用来解决问题的实际工作程序.尽管不知道在工尽管不知道在工尽管不知道在工尽管不知道在工作负载中所占的比例作负载
24、中所占的比例作负载中所占的比例作负载中所占的比例.如如如如C C C C编译器编译器编译器编译器,文本编辑器等文本编辑器等文本编辑器等文本编辑器等,有输入有输入有输入有输入,输出输出输出输出,参数参数参数参数核心基准测试程序核心基准测试程序核心基准测试程序核心基准测试程序(kernel benchmark)(kernel benchmark)(kernel benchmark)(kernel benchmark)从实际程序中抽出来的核心代码段从实际程序中抽出来的核心代码段从实际程序中抽出来的核心代码段从实际程序中抽出来的核心代码段,适于独立评价某适于独立评价某适于独立评价某适于独立评价某一方面
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