基于GCC的嵌入式程序插裝技術

       軟件測試中，覆蓋、故障注入、性能分析等廣泛使用的動態測試方法均基于程序插裝技術。

       本文介紹一種通過分析和修改GCC編譯工具，實現程序插裝的新方法。該方法具有批量自動插裝，插裝與編譯連接緊密結合，適用語言廣泛等優點。最后具體討論了如何在ARM嵌入式程序中實現程序插裝，并給出修改GCC的源代碼。

       引 言
   

        程序插裝(Program Instrumentation)概念最先是由J．G．Huang教授提出，是借助往被測程序中插入操作(稱為“探針”)，以便獲取程序的控制流和數據流信息，從而實現測試目的的方法。在軟件動態測試中，程序插裝是一種基本的測試手段，應用廣泛，是覆蓋率測試、軟件故障注入和動態性能分析的基礎技術。
   

       GCC(GNU Compiler Collection)是一個高度優化，高度可移植，廣泛使用的編譯系統。它能處理多種語言，包括C／C++、Fortran、Java和Pascal等多種語言前端，而且后端支持幾乎所有的處理器結構。GCC作為源碼開放的軟件，人們可以自由修改和使用；加入插裝模塊后，在GCC所支持的語言中都可插入相應的測試代碼(這里只介紹C語言的插裝模塊)。本文將詳細敘述如何修改GCC，使其在編譯每個C函數時，分別將各個形式參數連同該函數名傳遞給一個指定函數。該指定函數的返回值賦予原來的形式參數，從而可以人為控制被插裝函數的每個參數實際值，進而完成各種規則下的測試。

       1 GCC編譯流程分析
   

       編譯器的工作是將源代碼(通常使用高級語言編寫)翻譯成目標代碼(通常是低級的目標代碼或者機器語言)。在現代編譯器的實現中，這個工作一般是分為兩個階段來實現的：
   

       第一階段，編譯器的前端接收輸入的源代碼，經過詞法、語法和語義分析等得到源程序的某種中間表示方式。
   

       第二階段，編譯器的后端將前端處理生成的中間表示方式進行一些優化，并最終生成在目標機器上可運行的代碼。
   

       GCC編譯器以一個函數為單位對經過預處理的輸入源文件進行編譯處理。根據GNU Bison(一個類似YACC但功能更強大的文法分析工具)生成的語法分析程序，前端完成語法、語義分析，建立語法樹，并轉換成中間代碼。GCC內部使用了一種能對實際的體系結構做一種抽象的，與硬件平臺無關的語言，這個中間語言就是RTL(Register Ttansfer Language)。通過修改源程序的RTL，可以改變、刪除源程序，包括插入所需要的代碼，由GCC后端處理并最終輸出對應硬件平臺的匯編碼，源程序無需手工修改便可實現插裝功能。
   

       GCC的入口點main函數在文件main．c中。此函數非常簡單，只有一條直接調用toplev_main函數的語句。toplev_main函數是在toplev．c文件中定義的，以下我們只關心與編譯有關的源碼，其他的暫時忽略。toplev_main中最重要的是調用了do_complile函數，這個函數從名字看就是做編譯工作的；而在此之后，toplev_main函數就返回了。dD_compile函數也是在tokv．c中定義的，其中真正進行編譯工作的是調用compilte_file函數。compik_file函數最終調用了一個鉤子函數來分析(parse)整個輸入文件：
  

         (*lang_hooks．parse_file)(set_yydebug)；
   

        這里的lang_hooks是一個全局變量，不同語言的前端對此賦以不同的值。對C語言來說，這條語句相當于調用了c-opts．c中的c_common_parse_file函數。c_com-mon_parse_file中調用了c-parse．c中的c_parse_file函數；在此函數中又調用了同文件中的yyparse函數，該函數負責解析C語言源文件，并轉化為特殊的語法樹結構。該函數是GNU bison將YACC轉變為C語言而自動生成的，所以這段代碼閱讀起來比較困難，但我們并不關心語法分析的細節。在完成函數體的分析后，利用已經建立的tree結構生成RTL，優化后最終輸出匯編碼；自此C函數的編譯就算結束了，這些是由yyparse調用finish_function函數完成的。finish_function函數中最重要的函數是tree_rest_of_compilation(定義在tree_optimize.c中)，它是真正實現上述功能的函數。為了說明它所做的具體事情，我們將該函數做了刪減，保留了關鍵的地方。

        將函數各個部分展開成RTL形式后，調用函數rest_of_compilation將RTL輸出為匯編碼。至此，得到了一張清晰的GCC編譯時的函數調用路線，如表1所列。

      2 基于GCC的程序插裝技術
   

       根據插裝測試的要求，需要在函數開始時為每個參數調用鉤子函數，并用鉤子函數的返回值更新參數的值；同時，將被插裝函數的名稱壓入函數本地棧內，作為該函數的一個匿名本地變量，只用于傳遞給鉤子函數。從上面列出的tree_rest_of_compilation函數源碼得知，負責建立被編譯函數參數和返回值的函數是expand_function_start，定義是在文件function．c中。expand_function_start中處理函數參數和返回值的函數是assign_parms，這是需要特別關注的函數。以下是該函數簡化的偽碼：

        斜體加粗的部分是增加的代碼。在for循環前，獲得當前編譯的函數名(見源碼中①位置)；但暫時不能輸出到函數的RTL鏈中，因為本地棧要在所有參數傳遞完畢才完全建立起來。在for循環體結束前，記錄下函數參數的一份拷貝(見②)，最后調用。insert_function_name_local函數，將當前函數名插入本地棧，并且修正棧指針(見③)。經過以上修改，得到了插裝所需的所有信息，包括函數參數和函數名稱的RTX表示。GCC將函數編譯后生成的RTX表示以鏈表形式組織，最后一次性把這個RTX鏈表輸出為后端平臺的匯編碼。完成這項工作的是rest_of_compilation函數，所以在調用rest_of_complilation函數前插入我們的RTX，最終完成插裝，由函數inject_rtl負責完成。下面是inject_rtl的主要代碼：

        3 APCS與程序插裝實現
   

        編譯器必須以一套統一的方法編譯函數的定義和調用過程，才能確保不同語言編寫的函數能相互調用。規定這些細節的便叫作“函數調用規范(Procedure Call Stand-ard)”。ARM體系結構定義了自己的函數調用規范——ARM函數調用標準(ARM Procedure Call Standard，APCS)。雖然APCS不是強制性的，但實現APCS并不困難，而且可獲得統一的二進制兼容的好處，所以大部分的編譯器都實現了APCS，其中包括GCC。
   

        APCS中函數傳遞參數的定義如下：
   

       ◇前4個整數實參(或者更少)被裝載到r0～r3。前4個整數實參(或者更少)被裝載到r0～r3。
       ◇前4個浮點實參(或者更少)被裝載到f0～f3。
       ◇如果參數為雙字(8字節)，就必須從偶數寄存器開始放置。
       ◇如果一個參數不能完全放入寄存器中，則超過的那部分拷貝到棧中。
   

       其他任何實參(如果有的話)存儲在內存中，用進入函數時緊接在sp值上面的字來指向。換句話說，其余的參數被壓入棧頂。所以，要想簡單，最好定義接受4個或更少的整數參數的函數。
   

       本文所述的插入函數只有兩個整型形參，所以調用時只需將兩個實參分別傳入ro和rl。GCC提供emit_li-brary_call函數用來生成函數調用的RTL碼，GCC將按照APCS產生正確的函數調用匯編碼。函數定義在calls．c中，原型為：

         插入所需函數后，需要將返回值賦值給對應的被插裝函數的形參。以下是插入函數insert_parms_test_function的完整代碼：

      4 實 例
   

       為便于檢查插裝效果，用經過修改的GCC編譯一段簡單的C語言程序。該程序為一個獨立函數foo，接受兩個整數類型的參數。具體代碼如下：

        從GCC輸出的匯編碼可以看到，foo函數的兩個參數都經過鉤子函數pt_hook_partns的處理更新；在pt_hook_parms函數內，可以根據測試算法返回不同的邊界值，從而達到測試的目的。依照此方法，一個實際程序經過插裝后，在ARM模擬器上順利運行，并取得預期的測試效果。

        結語
   

         本文詳細地論述了修改GCC增加插裝功能的實現方法。按照這樣的思路，成功地實現了基于ARM7芯片的嵌入式系統的動態參數邊界測試，達到了預期的效果。本文所述的插裝函數比較簡單，沒有區分參數的類型，所有參數均按照一個字大小來處理；下一步的工作是細分參數不同類型，插裝不同的處理函數。作為一種通用的插裝方法，在此摹礎上．通過識別不同的插裝點和插裝不同的函數，可以實現函數調用棧檢查，程序覆蓋率測試，獲取函數實際執行時間等需要插裝技術作為基礎的功能。