基于Proemulator的插樁構(gòu)架研究

0引 言

由于目標(biāo)機(jī)與宿主機(jī)處理器體系結(jié)構(gòu)不同，嵌入式軟件無(wú)法在宿主機(jī)上直接運(yùn)行與測(cè)試，因此嵌入式軟件的開發(fā)過(guò)程常常比硬件開發(fā)過(guò)程還要漫長(zhǎng)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)周期長(zhǎng)，軟件功能調(diào)試和性能測(cè)試不能及時(shí)完成，軟件質(zhì)量無(wú)法保證。嵌入式模擬器能良好地解決這一問(wèn)題。

將模擬器應(yīng)用到嵌入式軟件的開發(fā)與測(cè)試中，其優(yōu)點(diǎn)有如下幾個(gè)方面：

(1)采用模擬器進(jìn)行嵌入式開發(fā)與測(cè)試能讓軟件和硬件開發(fā)同步進(jìn)行，縮短開發(fā)周期；

(2)能提供比真正硬件環(huán)境下更豐富的測(cè)試環(huán)境，拓寬測(cè)試范圍；能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試，甚至能在真實(shí)硬件不能承受的“危險(xiǎn)”條件下測(cè)試。

(3)能提供調(diào)試，測(cè)試，變量查看，性能分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等多種額外功能，便于開發(fā)與測(cè)試人員進(jìn)行分析。

1國(guó)內(nèi)外模擬器相關(guān)研究

國(guó)內(nèi)外已有若干較成熟的嵌入式系統(tǒng)模擬器，如ARM公司的ARMmulator，同濟(jì)大學(xué)開發(fā)的Proemulatot中針對(duì)ARM芯片的指令模擬器，清華大學(xué)Sky Eye項(xiàng)目中的指令模擬器，Linux上的開源軟件GDB ARMulator。

Proemulator是一個(gè)源碼開放的通用模擬器架構(gòu)，能在宿主機(jī)上以純軟件方式模擬各種硬件設(shè)備(包括CPU、輸入／輸出設(shè)備等)，也可以模擬由這些設(shè)備組成的單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)。它基于插件機(jī)制，主程序提供整個(gè)構(gòu)架，包括運(yùn)行環(huán)境的建立、代碼的裝載和運(yùn)行時(shí)內(nèi)存、寄存器、端口的查看界面等，而插件負(fù)責(zé)模擬不同硬件設(shè)備的行為和特性，并抽象成一個(gè)統(tǒng)一的接口提供給主程序調(diào)用。通過(guò)這個(gè)機(jī)制，模擬新的設(shè)備變得更為容易。Proemutator提供多種CPU插件與若干種片內(nèi)與片外外設(shè)，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。



2 基于嵌入式模擬器的插樁構(gòu)架

嵌入式測(cè)試平臺(tái)建立在嵌入式模擬器之上，測(cè)試過(guò)程中首先對(duì)被測(cè)程序進(jìn)行插樁，樁節(jié)點(diǎn)在程序運(yùn)行過(guò)程中能同步的，即時(shí)地向樁信息分析器輸出預(yù)設(shè)的樁信息。分析器能實(shí)時(shí)接收裝數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，從而得出整個(gè)被測(cè)程序運(yùn)行過(guò)程中的覆蓋率和分支情況。基于嵌入式模擬器的插樁構(gòu)架如圖2所示。


3 基于Proemulator的插樁構(gòu)架實(shí)現(xiàn)

嵌入式模擬器和樁信息分析器為兩個(gè)獨(dú)立進(jìn)程，在兩者之間實(shí)現(xiàn)樁數(shù)據(jù)的傳遞，需采用進(jìn)程間通信機(jī)制。常見(jiàn)的進(jìn)程間通信方法有以下幾種：

(1)Socket通信是常見(jiàn)的進(jìn)程間通信方法，它能良好地支持網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議TCP／IP，在進(jìn)行通信時(shí)，需要設(shè)置端口，并通過(guò)幾次握手建立TCP連接，因此適合網(wǎng)絡(luò)間的大量數(shù)據(jù)傳輸，而對(duì)于單機(jī)上的少量多次數(shù)據(jù)傳輸并不合適。

(2)共享內(nèi)存的方法較為常見(jiàn)，對(duì)于每個(gè)進(jìn)程來(lái)說(shuō)，獲得共享內(nèi)存后，就能實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的讀寫操作。但是如果不進(jìn)行同步，則一個(gè)進(jìn)程在進(jìn)行讀的過(guò)程中另一個(gè)進(jìn)程進(jìn)行寫操作，就會(huì)造成數(shù)據(jù)的不一致。因此在采用共享內(nèi)存的方法時(shí)，需要將共享區(qū)域設(shè)置為臨界資源。常用的方法有信號(hào)量機(jī)制，兩個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)共享內(nèi)存時(shí)，利用P，V操作進(jìn)行讀寫的互斥。當(dāng)P操作成功時(shí)，才能訪問(wèn)臨界區(qū)，訪問(wèn)完畢后進(jìn)行V操作，讓出使用權(quán)，使得別的進(jìn)程能夠訪問(wèn)。共享內(nèi)存的方法適合多個(gè)進(jìn)程間的大量數(shù)據(jù)共享，只要處理好操作的互斥性，該方法非常實(shí)用。

(3)WM COPYDATA消息是Windows底層消息，使用非常方便，只需獲得進(jìn)行通信的進(jìn)程的窗口句柄，就能通過(guò)SendMessege函數(shù)將數(shù)據(jù)封裝在消息中傳遞給該進(jìn)程，因?yàn)镾endMessege函數(shù)在接收進(jìn)程接到消息后才會(huì)返回，因此絕對(duì)不會(huì)發(fā)生消息丟失的情況，是可靠的通信。接收方只需要處理WM_COPYDATA消息，便能獲得傳遞來(lái)的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，該方法不能用于網(wǎng)絡(luò)間的傳輸，只能用于單機(jī)環(huán)境下的Windows操作系統(tǒng)。還有管道，剪貼板，文件映射等方法，本文不做詳細(xì)介紹。下面詳細(xì)介紹基于嵌入式模擬器獲取樁數(shù)據(jù)的技術(shù)難點(diǎn)。

3.1基于Proemulator的插樁構(gòu)架

Proemulator源碼完全開放，提供了UART插件，對(duì)外設(shè)的模擬可以簡(jiǎn)化為對(duì)端口寄存器的模擬，當(dāng)程序訪問(wèn)相應(yīng)的端口時(shí)，觸發(fā)其對(duì)應(yīng)外設(shè)的動(dòng)作。UART內(nèi)部包括控制口和數(shù)據(jù)口。向控制口寫入工作方式控制字后，訪問(wèn)數(shù)據(jù)口數(shù)據(jù)能觸發(fā)事件。在被測(cè)程序中進(jìn)行插樁初始化，設(shè)定UART工作方式，在需要插樁的位置將樁數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)ART數(shù)據(jù)端口，然后在UART插件中將寫入數(shù)據(jù)端口的樁信息使用Windows進(jìn)程通信機(jī)制輸出。

Proemulator提供了多種串行數(shù)據(jù)重定位的方式來(lái)將模擬器內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至外部，包括控制臺(tái)、磁盤文件、命名管道和串口。其中命名管道是一種較好的方式，只需編寫自己的管道接收器，就能實(shí)時(shí)地接收管道發(fā)送出來(lái)的樁數(shù)據(jù)，使用串口也比較方便。還能在Proemulator中加入共享內(nèi)存，或者發(fā)送WMCOPYDATA消息，基于Proemulator的插樁構(gòu)架如圖3所示。



3.2插樁構(gòu)架性能分析

本文實(shí)現(xiàn)了基于Proemulator的樁數(shù)據(jù)的發(fā)送與獲取，并進(jìn)行了分析，見(jiàn)表1。



4結(jié) 語(yǔ)

本文提出基于嵌入式模擬器的插樁構(gòu)架，將插樁后的程序經(jīng)編譯生成可執(zhí)行代碼，運(yùn)行于模擬器上，在運(yùn)行過(guò)程中模擬器能實(shí)時(shí)地將樁信息發(fā)送到樁信息分析器，進(jìn)行代碼的白盒測(cè)試。本文基于已有的嵌入式模擬器Proemulator實(shí)現(xiàn)了樁數(shù)據(jù)獲取。基于嵌入式模擬器的插樁架均能即時(shí)地進(jìn)行樁數(shù)據(jù)的發(fā)送接收與分析，能有效進(jìn)行白盒測(cè)試。