解析基于ELF的嵌入式軟件源碼級交叉調(diào)試技術(shù)

三、源碼級交叉調(diào)試器實現(xiàn)的技術(shù)要點

在設(shè)計交叉調(diào)試器JDBG時，首先完成與目標文件無關(guān)的部分：連接目標機，查看修改目標機寄存器和內(nèi)存;然后實現(xiàn)與目標文件有關(guān)的部分：下載目標文件到目標機，源碼級調(diào)試功能，包括斷點控制、執(zhí)行控制、變量觀察等，以下重點討論各項功能的設(shè)計與實現(xiàn)。

1、 下載目標文件

目標文件中包含多種類型的內(nèi)容，目標程序在目標機上運行時只需要程序的二進制指令代碼與相關(guān)數(shù)據(jù)，這些內(nèi)容包含在文件中的可執(zhí)行程序段中。下載目標文件時在宿主機上提取目標文件中的代碼與數(shù)據(jù)段，根據(jù)其地址映射關(guān)系利用remote協(xié)議中寫內(nèi)存的功能在目標機上建立程序的遠程映像。

2、 斷點

斷點是調(diào)試器控制程序執(zhí)行的基本手段。各種機器有其特殊的斷點指令(如X86的int3指令)，設(shè)置斷點就是將機器斷點指令替換所指定程序單元中的指令，使得程序運行到斷點指令處時，產(chǎn)生“斷點異常”，用戶程序不再繼續(xù)執(zhí)行下去，目標機向宿主機返回斷點停止信號，由宿主機調(diào)試器接管對用戶程序的控制。

斷點分為邏輯斷點與物理斷點，兩者是多對一的關(guān)系。邏輯斷點與源代碼對應(yīng)，提供源級斷點信息(源文件名+行號或物理地址等);物理斷點與目標碼對應(yīng)，提供斷點的目標碼地址及斷點處的指令內(nèi)容。插入一個斷點即根據(jù)邏輯斷點信息確定物理斷點地址，將該地址對應(yīng)指令用機器斷點指令替代;刪除斷點即恢復斷點指令處預(yù)先保存的原指令，使得程序可繼續(xù)執(zhí)行。

檢查點是一種條件斷點，使程序在條件滿足時停止執(zhí)行。通常條件都涉及表達式的值變化，利用寫內(nèi)存保護來檢查表達式的值是最常用的方法，但這種方法不適用于不具備MMU功能的處理器。某些處理器(如i386)提供了專門的調(diào)試控制寄存器，通過在調(diào)試控制寄存器中設(shè)置相應(yīng)線性地址及中止條件(讀或?qū)?即可中止程序的運行。通過查詢方式檢查表達式的值也是一種可行的方法，其效率相對較低。當檢查點的條件滿足時，檢查點的操作與普通斷點類似。

對一個斷點應(yīng)具有基本的插入、刪除、使能、使不能等基本操作功能。在設(shè)計中采用雙向鏈表結(jié)構(gòu)作為斷點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使得斷點控制更加方便高效。

3、 啟動程序運行

啟動程序運行首先從目標文件的ELF頭中得到應(yīng)用程序的入口，將目標機的PC寄存器置為該入口地址，從入口處開始執(zhí)行程序指令。如果程序中沒有設(shè)置任何斷點或檢查點，則程序一直運行到結(jié)束;如果程序中有斷點，則程序運行到第一個斷點處停止并返回其停止位置。

4、 源碼級單步調(diào)試

源碼級單步以行為單位，一行源代碼對應(yīng)多條機器指令，因此一個源語句的單步執(zhí)行需要多個機器指令的單步執(zhí)行。最簡單的實現(xiàn)方法就是從源語句對應(yīng)目標代碼的起始地址開始逐條單步執(zhí)行機器指令。顯然這種方法效率很低，尤其調(diào)試嵌入式軟件需要大量宿主機/目標機間的通訊，而且有的處理器自身并不提供機器單步執(zhí)行指令。因此，更有效的方法是用“內(nèi)部臨時斷點+連續(xù)執(zhí)行”的方式來實現(xiàn)。

用機器單步執(zhí)行時，每執(zhí)行完一條機器指令立即讀取當前PC，判斷程序停止位置。調(diào)試器對程序的控制是即時交互的，當單步執(zhí)行結(jié)束、跳轉(zhuǎn)或進入函數(shù)調(diào)用時，調(diào)試器都會即時得知。不采用機器單步，則不具有這種即時掌握程序運行狀態(tài)的便利，需要在運行前反匯編目標代碼，通過分析匯編指令預(yù)測程序單步執(zhí)行可能的出口位置，并在該處設(shè)上斷點。可能的出口位置包括該行指令的終止地址、跳轉(zhuǎn)、分枝跳轉(zhuǎn)、函數(shù)調(diào)用等指令。對于跳轉(zhuǎn)指令，能得到絕對地址則直接在跳轉(zhuǎn)地址處設(shè)斷點，不能得到跳轉(zhuǎn)地址則在指令處設(shè)斷點，再執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令由當前PC值確定程序停止的位置。對于函數(shù)調(diào)用指令，如果采用單步跳過(stepover)方式，則將其作為普通指令看待，直接執(zhí)行調(diào)用函數(shù);如果采用單步進入(stepinto)方式，則需在指令處設(shè)斷點，再執(zhí)行調(diào)用指令，以進入函數(shù)內(nèi)部讓用戶繼續(xù)跟蹤程序的執(zhí)行。

以單步跳出方式(stepout)執(zhí)行程序時，以子程序為單位，需執(zhí)行完當前子程序的所有代碼，在調(diào)用該子程序的下一條語句處停止。通過反匯編當前子程序的所有指令，可得到該子程序所有可能的函數(shù)返回出口，在這些函數(shù)返回指令處設(shè)臨時斷點，程序運行到斷點處再執(zhí)行該返回指令跳出當前子程序，處理調(diào)用該子程序的語句行的后繼信息，最終確定程序停止位置。

5、數(shù)據(jù)瀏覽

數(shù)據(jù)與指令同樣是構(gòu)成程序的根本。數(shù)據(jù)類型繁多，不同的類型處理起來有所不同，其基本原理是由數(shù)據(jù)名找到存放該數(shù)據(jù)的地址，再從地址中取出數(shù)據(jù)的值。關(guān)鍵在于找到名與地址的映射關(guān)系。這些信息可從.debug，.symtab等節(jié)中得到。全局變量一般可得到直接的地址信息，而局部變量采用堆棧方式存放在內(nèi)存中，需根據(jù)從.debug中得到的該變量在堆棧中的位置信息來確定地址。采用表結(jié)構(gòu)來管理變量，將每個變量的名、地址等信息登記在表中，將對數(shù)據(jù)值的操作轉(zhuǎn)化為對相應(yīng)地址的內(nèi)存單元操作，如查看變量即為讀取該變量所在內(nèi)存單元的內(nèi)容。

四、交叉調(diào)試器JDBG簡述

JDBG采用圖形用戶界面，相應(yīng)的命令提供圖形按鈕或菜單，并提供快捷鍵。進入調(diào)試之前，先連接目標機，在連接時設(shè)置連接參數(shù)并保存，在以后的連接中可直接使用已保存的設(shè)置參數(shù)。當宿主機/目標機處于連接狀態(tài)時，下載目標文件，啟動調(diào)試器。調(diào)試器啟動后，用戶可在打開的源文件中設(shè)置斷點，運行下載的目標程序，查看/修改寄存器、內(nèi)存的內(nèi)容。當運行的目標程序停止后，返回停止點源碼信息，用戶可以觀察數(shù)據(jù)，添加新的斷點或刪除已設(shè)斷點，控制程序的單步執(zhí)行或連續(xù)執(zhí)行，或退出調(diào)試狀態(tài)。