RTEMS任務級別調試技術研究

1 RTEMS操作系統簡介
RTEMS，即實時多處理器系統(Real Time Executivefor Multiprocessor Systems)，是一個開源的實時嵌入式操作系統。它最早用于美國國防系統，現在它在航空航天、軍工及民用領域都有著廣泛的應用。
從結構上來看，RTEMS是微內核搶占式實時系統。圖1顯示了RTEMS操作系統的基本結構。圖中白色部分為RTEMS操作系統的硬件支持部分(Board SupportPackage)，它包括了硬件抽象代碼、硬件設備驅動代碼和操作系統啟動代碼。灰色部分為RTEMS內核以及系統提供給應用程序的API。在具體應用場景中，圖中所有系統模塊都被編譯成一個靜態連接庫，用戶編寫的應用程序和RTEMS庫靜態鏈接成一個整體，形成運行在目標環境的鏡像文件。應用程序只將需要的系統支持模塊鏈接進來，最大程度地縮小了可執行鏡像的大小。

此外，RTEMS十分簡潔，力求實時性。它不支持虛擬內存，整個系統內核以及應用程序運行在共同的平板內存空間之上。因此，RTEMS鏡像文件的運行可以看作是一個大型的、處理時鐘中斷的裸板程序。

2 GDB遠程調試
GDB全稱GNU symbolic debugger。在大多數情況下，在UNIx或者Linux環境下使用GDB調試本機程序，GDB通過waitpid、ptrace等系統調用對被調試進程進行監查和控制。這種調試模式很常見，但它只是GDB調試的一種特殊情況：GDB本身的運行環境和被調試程序的運行環境恰巧是同一個。在有些情況下，被調試程序運行環境下可能無法方便地運行GDB，那么遠程調試就會派上用場。
2．1 遠程調試中程序的交互途徑
如圖2所示，GDB和被調試程序運行于不同的環境中。在GDB加載了和被調試程序對應的調試信息之后，用戶可以通過它對被調程序進行源代碼級調試。用戶向GDB下達調試命令，GDB將用戶的調試命令翻譯、打包，通過串口或者網絡接口發送至被調試程序端的GDB―SERVER。GDB―SERVER將接收到的調試命令包解包，并將其表達的調試命令實施于被調試程序。如果需要，還應將命令執行結果通過遠程通信返回給GDB端。

2．2 GDB與GDB―SERVER
GDB和GDB―SERVER之間的數據通道上傳輸的信息遵循GDB Remote Serial Protocol。它是一種簡潔的、基于ASCII的協議。每一個RSP報文由ASCII符號“$”開頭，由“#”將報文內容和兩個字節的報文校驗隔開，如下所示：

接收方對報文進行校驗，如果校驗成功，回復ASCII字符“+”，否則回復“一”。
通過RSP傳輸的命令種類很多，比較常用的羅列于表1中。當用戶使用GDB遠程調試程序時，GDB將用戶的命令翻譯成若干條RSP命令的序列下達給GDB―SERVER。GDB―SERVER對命令進行實施，并回復運行結果。作為一個能實現基本調試功能的GDB―SERVER，至少需要實現表1中列出的命令。

2．3 GDB―SERVER與被調試程序
GDB―SERVER和被調試程序之間的交互方式就比較靈活了，在沒有虛擬內存管理的環境中可以使用指針直接訪問被調試程序的內存，而在引入了嵌入式操作系統的環境中可以使用系統調用實現。GDB―SERVER是GDB調試命令的實施者，依照GDB的調試基本需求，GDB―SERVER和被調試程序之間的交互方式只要能夠完成表1中列出的操作就可以了。

3 傳統STUB調試模式概述
GDB―STUB是嵌入在被調試程序中的小段程序，它肩負了和GDB通信并執行GDB調試命令的重任。可以說GDB―STUB是輕量級的GDB―SERVER。它代碼量很少，在RTEMS啟動初始化階段，將它以軟中斷處理程序的身份嵌入到RTEMS之中，成為RTEMS的一部分。當被調試程序運行到這個特殊的軟中斷時，STUB程序獲得運行的權力，和GDB進行遠程通信，執行調試命令，直到收到被調試程序繼續執行的命令，STUB恢復被調試程序的執行，如圖3所示。

由于它和被調試程序融為一體，所以它可以直接訪問被調試程序的內存地址，查詢或者修改被調試程序內存空間的值。
此方法將RTEMS系統看作一個嵌入式裸板程序，可以在源碼級別對整個RTEMS系統進行調試。可以想象，此時GDB根本不知道被調試程序是一個操作系統，一旦STUB獲得了執行機會，整個RTEMS系統進入暫停狀態，無論系統中運行的是應用還是系統內核本身。而調試系統本身遠遠沒有調試系統中應用程序的需求量大，在調試應用的時候，希望只是被調試的任務暫停，系統中其他任務不受我們調試行為的影響。下文將介紹RTEMS任務級別的GDB遠程調試方法。