在 1990 年代，基本上有兩種基于工具的解決方案，用于在真實(shí)硬件上調(diào)試嵌入式軟件：一種是監(jiān)視器調(diào)試器，一種在嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存中編程并響應(yīng)外部調(diào)試器軟件請(qǐng)求的軟件. 以及在線仿真器，一個(gè)（大型）硬件，它通過(guò)自適應(yīng)替換和仿真位于目標(biāo)硬件中的微控制器/處理器。

圖 1：1980 年代末的在線仿真。

監(jiān)控調(diào)試器解決方案價(jià)格便宜，并實(shí)現(xiàn)了基本的調(diào)試功能；在線仿真器解決方案非常昂貴，使用復(fù)雜，而且適配經(jīng)常不穩(wěn)定且容易出錯(cuò)。作為回報(bào)，開(kāi)發(fā)人員獲得了對(duì)微控制器/處理器所有總線的完全透明和訪問(wèn)權(quán)限。那時(shí)，計(jì)時(shí)測(cè)量和代碼覆蓋率分析已經(jīng)成為可能。然而，半導(dǎo)體制造商必須為此目的開(kāi)發(fā)一種特殊的、所謂的帶有額外引腳的仿真芯片。對(duì)所有相關(guān)人員來(lái)說(shuō)都是一個(gè)關(guān)鍵的成本因素。

半導(dǎo)體的日益小型化和片上調(diào)試接口的引入對(duì)調(diào)試器作為開(kāi)發(fā)工具本身的架構(gòu)產(chǎn)生了重大影響。越來(lái)越多的以前在硬件中實(shí)現(xiàn)的功能現(xiàn)在在軟件中實(shí)現(xiàn)。開(kāi)發(fā)環(huán)境和調(diào)試器軟件變得更強(qiáng)大，硬件更小，帶寬和速度方面的性能不斷提高。但是，今天調(diào)試的基本用例仍然相同。

硬件調(diào)試進(jìn)化，瞄準(zhǔn)調(diào)試的“圣杯”

從 printf 到“just” flash 到斷點(diǎn)、實(shí)時(shí)監(jiān)視和單步執(zhí)行，這就是您可以簡(jiǎn)要描述調(diào)試的方式。原則上，調(diào)試用于驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)、板/硬件啟動(dòng)、啟動(dòng)過(guò)程等的開(kāi)發(fā)和故障排除，作為“低級(jí)”、硬件相關(guān)開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)方法。一個(gè)調(diào)試器被迅速拿出來(lái)，將軟件閃存到目標(biāo)硬件上，開(kāi)始執(zhí)行或通過(guò)斷點(diǎn)在代碼中的某個(gè)點(diǎn)停止它，檢查內(nèi)存區(qū)域和寄存器或操作它們測(cè)試，讀出調(diào)用堆棧等等。

在應(yīng)用方面，它簡(jiǎn)單易懂，原則上大多數(shù)開(kāi)發(fā)人員通過(guò)調(diào)試都可以理解。大多數(shù)時(shí)候，人們沒(méi)有時(shí)間深入處理調(diào)試器本身，從而可能發(fā)現(xiàn)“調(diào)試的圣杯”，這些附加功能最終可以節(jié)省大量調(diào)試和測(cè)試時(shí)間。例如，在這種情況下，一種被低估的技術(shù)是追蹤。它在不影響運(yùn)行時(shí)行為的情況下提供對(duì)軟件執(zhí)行的洞察。因此，開(kāi)發(fā)人員獲得了硬件上軟件執(zhí)行的真實(shí)圖像。可以發(fā)現(xiàn)軟件中偶爾出現(xiàn)的錯(cuò)誤和瓶頸。這只是調(diào)試器的許多替代用例的一個(gè)示例。

圖 2：硬件調(diào)試——嵌入式軟件開(kāi)發(fā)人員的日常業(yè)務(wù)。

微控制器、處理器和 SoC 帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)

調(diào)試的發(fā)展伴隨著半導(dǎo)體的小型化、復(fù)雜性和速度的增加。在過(guò)去的 15 年中，嵌入式行業(yè)，尤其是汽車(chē)行業(yè)，在其產(chǎn)品中引入了許多附加功能，以滿足當(dāng)前和未來(lái)的環(huán)境法規(guī)，減少一般的車(chē)禍數(shù)量，通過(guò)分銷更有效地開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)車(chē)輛跨多個(gè)電子控制單元 (ECU) 的功能，而不是按功能開(kāi)發(fā)專用 ECU，并在競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。

為了實(shí)現(xiàn)這一切，汽車(chē)行業(yè)需要半導(dǎo)體制造商通過(guò)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)更緊湊、更快的微控制器來(lái)滿足他們的要求。

這是嵌入式多核微控制器的誕生，即具有兩個(gè)或更多內(nèi)核的控制器。ECU 中從單核架構(gòu)向多核架構(gòu)的轉(zhuǎn)變給每個(gè)人帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。嵌入式軟件工具供應(yīng)商面臨著新問(wèn)題，從如何輕松訪問(wèn)多核 ECU 的所有內(nèi)核，到如何在不同內(nèi)核上分發(fā)嵌入式軟件和遺留軟件，這些內(nèi)核運(yùn)行效率最高，同時(shí)保持高性能。開(kāi)發(fā)嵌入式軟件的傳統(tǒng)方式此時(shí)已經(jīng)受到質(zhì)疑。

隨著高性能/計(jì)算平臺(tái)和多核系統(tǒng)的引入，現(xiàn)在甚至更復(fù)雜的處理器架構(gòu)被用于開(kāi)發(fā)高度復(fù)雜的應(yīng)用程序。調(diào)試在這里仍然扮演什么角色？

原則上，它仍然是基礎(chǔ)。除了微控制器的內(nèi)部閃存組件外，還必須運(yùn)行 SoC 外部閃存組件。調(diào)試器首先幫助控制引導(dǎo)過(guò)程，然后在下一步中仔細(xì)檢查這些處理器的各個(gè)部分和內(nèi)核以及在這些設(shè)備上運(yùn)行的軟件。除了標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試功能之外，由于這些軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性越來(lái)越高，時(shí)序分析、功能分析或 CPU 負(fù)載測(cè)量等分析選項(xiàng)也越來(lái)越多地被使用（圖 3）。這樣做的先決條件是所用半導(dǎo)體上的跟蹤接口的可用性以及相應(yīng)的調(diào)試器，其軟件實(shí)現(xiàn)這些功能。

圖 3：來(lái)自 iSYSTEM 的 winIDEA Analyzer；左邊是記錄的對(duì)象，右邊是它們的時(shí)間相關(guān)性。 （點(diǎn)擊展開(kāi)）

半導(dǎo)體行業(yè)的技術(shù)發(fā)展正在改變軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程，進(jìn)而將調(diào)試器作為工藝工具的基本工具。

軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程和標(biāo)準(zhǔn)

分布式開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)、日益復(fù)雜的代碼庫(kù)、日益增長(zhǎng)的功能需求、標(biāo)準(zhǔn)化和時(shí)間壓力：即使在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中，在最短的時(shí)間內(nèi)將可靠和安全的產(chǎn)品推向市場(chǎng)的挑戰(zhàn)也只能通過(guò)更高程度的抽象和自動(dòng)化。

因此，經(jīng)典意義上的開(kāi)發(fā)工具必須比以往更加通用。以前由微控制器專家專門(mén)用作與硬件相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具，現(xiàn)在越來(lái)越多地可以在各種軟件開(kāi)發(fā)情況中找到調(diào)試器。調(diào)試器仍然是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試接口連接到實(shí)際目標(biāo)硬件，目的是開(kāi)發(fā)和測(cè)試盡可能接近實(shí)際硬件的嵌入式軟件。

除了簡(jiǎn)單地連接到目標(biāo)硬件之外，調(diào)試器還提供更高級(jí)的調(diào)試功能，包括測(cè)試功能。在這里，開(kāi)發(fā)人員可以跟蹤正在運(yùn)行的軟件的執(zhí)行情況。為此，可以檢查程序狀態(tài)，并在某些條件下停止程序的執(zhí)行。這是在對(duì)被測(cè)軟件的影響最小或沒(méi)有影響的情況下完成的。專業(yè)的調(diào)試解決方案還可以實(shí)時(shí)記錄軟件中的過(guò)程（跟蹤）、記錄時(shí)鐘周期范圍內(nèi)的執(zhí)行時(shí)間以及評(píng)估與測(cè)試相關(guān)的軟件處理部分（代碼覆蓋率）。

圖 4：如今，調(diào)試器提供的 API 可通過(guò)平滑和自動(dòng)化的工具轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)和測(cè)試流程。

為了讓客戶能夠靈活地使用所有這些功能，調(diào)試器制造商提供了通用接口 (API)，可以將這些工具集成到客戶的開(kāi)發(fā)和測(cè)試過(guò)程中（圖 4）。這些接口必須適合解決各種各樣的任務(wù)（開(kāi)發(fā)、測(cè)試、驗(yàn)證和驗(yàn)證軟件和硬件）。這里的標(biāo)準(zhǔn)是支持編程（C、C++、C#、Java 等）和腳本語(yǔ)言（Python 等），以便從另一個(gè)（也是客戶特定的）應(yīng)用程序“遠(yuǎn)程控制”開(kāi)發(fā)工具?；旧希撨^(guò)程的一部分可以在開(kāi)發(fā)和測(cè)試期間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

此外，當(dāng)今的調(diào)試器提供了所謂的“mini-HIL”功能（用于測(cè)試的硬件在環(huán)、測(cè)量和激勵(lì)模塊）來(lái)生成或測(cè)量數(shù)字和模擬信號(hào)，同時(shí)記錄和關(guān)聯(lián)程序執(zhí)行. 這使得在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中盡可能早地進(jìn)行非常接近現(xiàn)實(shí)的測(cè)試成為可能。所有這些都是從已知環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的，幾乎是即時(shí)的，無(wú)需學(xué)習(xí)新的方法。

這些用于測(cè)試自動(dòng)化的靈活接口的典型用例是持續(xù)集成 (CI)。CI 通過(guò)將開(kāi)發(fā)人員的更改或新創(chuàng)建的代碼集成到與團(tuán)隊(duì)共享的存儲(chǔ)庫(kù)中來(lái)支持敏捷/分布式軟件開(kāi)發(fā)和測(cè)試。為此目的，有幾個(gè)合適的持續(xù)集成服務(wù)器，例如 Jenkins、GitLab、TeamCity、CircleCI 或 GitHub Actions。通過(guò)集成，通過(guò)內(nèi)部或云中托管的 CI 軟件觸發(fā)一系列快速且高度自動(dòng)化的步驟（稱為“管道”）。管道通常包括并結(jié)合構(gòu)建、靜態(tài)分析、單元和系統(tǒng)測(cè)試。

圖 5：持續(xù)集成基礎(chǔ)設(shè)施的管道，包括構(gòu)建、靜態(tài)分析、單元測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試，最后是可交付產(chǎn)品。

經(jīng)典調(diào)試器因此成為在真實(shí)硬件上進(jìn)行測(cè)試的測(cè)試工具。

通常，軟件也可以在 PC 平臺(tái)上進(jìn)行廣泛的測(cè)試，與目標(biāo)硬件無(wú)關(guān)。然而，并非所有潛在錯(cuò)誤都在模擬環(huán)境中檢測(cè)到：例如，所需的硬件外圍通常不可用，或者應(yīng)用程序的行為與真實(shí)硬件不同，時(shí)序行為不同，或者交叉編譯器生成目標(biāo)- 特定的目標(biāo)代碼，因此與用于測(cè)試環(huán)境的編譯器的代碼不同。

因此，有必要在早期盡可能接近真實(shí)硬件進(jìn)行測(cè)試，以確保最終產(chǎn)品的正確功能以及應(yīng)用程序的準(zhǔn)確時(shí)序行為。

ISO26262 和 DO-178C 等安全標(biāo)準(zhǔn)會(huì)影響工具的功能范圍以及向客戶提供這些功能正確性的證明。特別是在航空領(lǐng)域，工具制造商被要求在工具認(rèn)證方面進(jìn)行合作已經(jīng)有很長(zhǎng)一段時(shí)間了——但最近在汽車(chē)行業(yè)也需要通過(guò) ISO26262 進(jìn)行合作。

為此，工具制造商必須為與特定用例相關(guān)的工具的功能正確性創(chuàng)建驗(yàn)證選項(xiàng)。這些可以是組織措施，例如開(kāi)發(fā)過(guò)程的外部審計(jì)或獨(dú)立第三方對(duì)工具的認(rèn)證，或支持客戶執(zhí)行正確性證明的參考工具套件。上述使用調(diào)試器自動(dòng)化測(cè)試過(guò)程的方法非常適合實(shí)施此類工具鑒定過(guò)程。

結(jié)論：更復(fù)雜的調(diào)試器，不斷發(fā)展的新業(yè)務(wù)模型

調(diào)試器越來(lái)越多地變成了一個(gè)過(guò)程工具。調(diào)試器的基本功能找到了它們的普通應(yīng)用，并輔以強(qiáng)大的分析功能。軟件日益復(fù)雜，軟件開(kāi)發(fā)本身使用的大量軟硬件工具及其相互依賴性，推動(dòng)了工具制造商、芯片供應(yīng)商和客戶之間對(duì)知識(shí)轉(zhuǎn)移和咨詢服務(wù)的需求。

參與這些發(fā)展的各方之間持續(xù)和開(kāi)放的溝通是成功的關(guān)鍵。今天，客戶不再想購(gòu)買(mǎi)工具，他們想隨時(shí)隨地使用它們。嵌入式軟件開(kāi)發(fā)和軟件測(cè)試的新商業(yè)模式將發(fā)揮作用，其中工具、知識(shí)轉(zhuǎn)移和咨詢是一種常見(jiàn)的產(chǎn)品，最終是一種服務(wù)。正如軟件行業(yè)所發(fā)生的那樣，訂閱業(yè)務(wù)模式也越來(lái)越適合全球嵌入式軟件開(kāi)發(fā)和測(cè)試。

審核編輯 黃昊宇