解析基于ELF的嵌入式軟件源碼級交叉調試技術

三、源碼級交叉調試器實現的技術要點

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

1、 下載目標文件

目標文件中包含多種類型的內容，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數據，這些內容包含在文件中的可執行程序段中。下載目標文件時在宿主機上提取目標文件中的代碼與數據段，根據其地址映射關系利用remote協議中寫內存的功能在目標機上建立程序的遠程映像。

2、 斷點

斷點是調試器控制程序執行的基本手段。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，產生“斷點異常”，用戶程序不再繼續執行下去，目標機向宿主機返回斷點停止信號，由宿主機調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，兩者是多對一的關系。邏輯斷點與源代碼對應，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，提供斷點的目標碼地址及斷點處的指令內容。插入一個斷點即根據邏輯斷點信息確定物理斷點地址，將該地址對應指令用機器斷點指令替代;刪除斷點即恢復斷點指令處預先保存的原指令，使得程序可繼續執行。

檢查點是一種條件斷點，使程序在條件滿足時停止執行。通常條件都涉及表達式的值變化，利用寫內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)提供了專門的調試控制寄存器，通過在調試控制寄存器中設置相應線性地址及中止條件(讀或寫)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。

對一個斷點應具有基本的插入、刪除、使能、使不能等基本操作功能。在設計中采用雙向鏈表結構作為斷點的數據結構，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，從入口處開始執行程序指令。如果程序中沒有設置任何斷點或檢查點，則程序一直運行到結束;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、 源碼級單步調試

源碼級單步以行為單位，一行源代碼對應多條機器指令，因此一個源語句的單步執行需要多個機器指令的單步執行。最簡單的實現方法就是從源語句對應目標代碼的起始地址開始逐條單步執行機器指令。顯然這種方法效率很低，尤其調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行指令。因此，更有效的方法是用“內部臨時斷點+連續執行”的方式來實現。

用機器單步執行時，每執行完一條機器指令立即讀取當前PC，判斷程序停止位置。調試器對程序的控制是即時交互的，當單步執行結束、跳轉或進入函數調用時，調試器都會即時得知。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測程序單步執行可能的出口位置，并在該處設上斷點。可能的出口位置包括該行指令的終止地址、跳轉、分枝跳轉、函數調用等指令。對于跳轉指令，能得到絕對地址則直接在跳轉地址處設斷點，不能得到跳轉地址則在指令處設斷點，再執行跳轉指令由當前PC值確定程序停止的位置。對于函數調用指令，如果采用單步跳過(stepover)方式，則將其作為普通指令看待，直接執行調用函數;如果采用單步進入(stepinto)方式，則需在指令處設斷點，再執行調用指令，以進入函數內部讓用戶繼續跟蹤程序的執行。

以單步跳出方式(stepout)執行程序時，以子程序為單位，需執行完當前子程序的所有代碼，在調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返回出口，在這些函數返回指令處設臨時斷點，程序運行到斷點處再執行該返回指令跳出當前子程序，處理調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、數據瀏覽

數據與指令同樣是構成程序的根本。數據類型繁多，不同的類型處理起來有所不同，其基本原理是由數據名找到存放該數據的地址，再從地址中取出數據的值。關鍵在于找到名與地址的映射關系。這些信息可從.debug，.symtab等節中得到。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存中，需根據從.debug中得到的該變量在堆棧中的位置信息來確定地址。采用表結構來管理變量，將每個變量的名、地址等信息登記在表中，將對數據值的操作轉化為對相應地址的內存單元操作，如查看變量即為讀取該變量所在內存單元的內容。

四、交叉調試器JDBG簡述

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