一種C語言級(jí)單步調(diào)試系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)方案※

林廣棟，黃光紅，耿銳

（中國電子科技集團(tuán)公司 第三十八研究所，合肥230088）

引 言

本文提出的方案充分考慮了C語言單步調(diào)試需要面臨的問題，可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜程序的C語言代碼行的單步調(diào)試功能。方案原理簡(jiǎn)單，容易理解，并經(jīng)過大量BWDSP芯片調(diào)試過程的檢驗(yàn)，已經(jīng)證明了其正確性。

1 單步調(diào)試功能簡(jiǎn)介

單步調(diào)試是指以源代碼行為單位對(duì)被調(diào)試程序的運(yùn)行進(jìn)行控制的調(diào)試功能。單步調(diào)試不需要用戶顯式地設(shè)置斷點(diǎn)，可以控制程序運(yùn)行一個(gè)或若干個(gè)代碼行。通過這種方式，用戶可以結(jié)合變量查看、堆棧查看、觀察點(diǎn)等調(diào)試功能，把潛在的程序錯(cuò)誤定位至某個(gè)代碼行。

單步調(diào)試功能一般分為兩大類：匯編級(jí)單步調(diào)試功能和源代碼級(jí)單步調(diào)試功能。匯編級(jí)單步調(diào)試功能指單步調(diào)試控制運(yùn)行的單位是匯編語言的代碼行。源代碼級(jí)單步調(diào)試指單步調(diào)試控制運(yùn)行的單位是高級(jí)語言源代碼中的代碼行。每類單步調(diào)試功能一般又包括三種：跳入、跳過、跳出。

對(duì)于匯編級(jí)單步調(diào)試，3種單步調(diào)試功能的實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，其功能概述如下：

①跳入調(diào)試功能控制被調(diào)試程序運(yùn)行至當(dāng)前代碼行中調(diào)用的函數(shù)內(nèi)部。若當(dāng)前代碼行中無函數(shù)調(diào)用，則控制被調(diào)試程序運(yùn)行完當(dāng)前代碼行。

②跳過調(diào)試功能控制被調(diào)試程序運(yùn)行完當(dāng)前代碼行。若當(dāng)前代碼行中有函數(shù)調(diào)用，則控制被調(diào)試程序執(zhí)行完該函數(shù)調(diào)用并繼續(xù)運(yùn)行完當(dāng)前代碼行。

③跳出調(diào)試功能控制被調(diào)試程序運(yùn)行至當(dāng)前函數(shù)的返回地址處。

對(duì)于高級(jí)語言（如C語言），其3種單步調(diào)試功能從總體概念上與匯編級(jí)單步調(diào)試功能類似。但由于C語言一行代碼經(jīng)編譯后生成一段匯編指令，且一行代碼中的語句可能非常復(fù)雜，其單步調(diào)試功能相對(duì)于匯編級(jí)單步調(diào)試更為復(fù)雜。C語言單步調(diào)試功能的實(shí)現(xiàn)要面對(duì)的問題略——編者注。

2 方案概述

2.1 已有方案介紹

目前，單步調(diào)試功能的實(shí)現(xiàn)方案分為兩大類：一類通過不斷控制程序流按匯編指令行逐行執(zhí)行，進(jìn)行匯編級(jí)單步執(zhí)行，每執(zhí)行一行匯編代碼就控制被調(diào)試程序停下來，分析程序地址，根據(jù)當(dāng)前程序地址判斷單步調(diào)試功能是否完成；另一類通過反匯編當(dāng)前源代碼行生成的匯編程序段，尋找其中的函數(shù)調(diào)用、出口地址，在這些位置設(shè)置臨時(shí)斷點(diǎn)。

第一種方案的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，容易理解。但是，若源代碼行中的代碼很復(fù)雜，生成的匯編程序段內(nèi)容很多，使用第一種方案將使程序反復(fù)處于運(yùn)行和停止?fàn)顟B(tài)，調(diào)試效率不高。本文介紹的單步調(diào)試功能實(shí)現(xiàn)方法屬于第二類方案。

國內(nèi)已經(jīng)有少數(shù)研究機(jī)構(gòu)開展單步調(diào)試功能的研究，但這些研究并未能完全解決C語言單步調(diào)試功能面臨的所有問題。參考文獻(xiàn)[4-5]按第一種方案實(shí)現(xiàn)了一款調(diào)試器的單步調(diào)試功能，顯然這種實(shí)現(xiàn)方式具有不可避免的通信負(fù)擔(dān)。參考文獻(xiàn)[6]實(shí)現(xiàn)了一款基于串口通信的嵌入式調(diào)試系統(tǒng)，其單步調(diào)試功能也是基于第一種方案。參考文獻(xiàn)[7]較為完整地介紹了一款調(diào)試器中單步調(diào)試功能的實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)方案屬于第二類方案，基本完成了C語言調(diào)試的主要功能。但該項(xiàng)工作并未考慮到C語言中單步調(diào)試功能的復(fù)雜性，若被調(diào)試代碼中包含較為復(fù)雜的代碼，該款調(diào)試器的單步調(diào)試功能將不能正確完成。

2.2 幾種出口類型介紹

BWDSP芯片調(diào)試系統(tǒng)軟件在充分調(diào)研了國內(nèi)外前人工作的基礎(chǔ)上，參考已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)的方案，自主實(shí)現(xiàn)了C語言單步調(diào)試功能。BWDSP芯片配套調(diào)試系統(tǒng)軟件的單步調(diào)試功能基于在代碼行出口處設(shè)置臨時(shí)斷點(diǎn)的方案實(shí)現(xiàn)。與國內(nèi)外已有工作相比，該方案充分考慮了C語言代碼行中的代碼復(fù)雜性，可以解決很多問題。

BWDSP芯片配套調(diào)試系統(tǒng)把一行C語言代碼行的出口分為如下幾類：

①通過for、while循環(huán)、break、continue語句跳轉(zhuǎn)至其他代碼行，該類出口稱為L(zhǎng)（Label）類出口，其出口地址集記為L(zhǎng)。C語言中的這些跳轉(zhuǎn)指令最終編碼為BWDSP芯片指令集中的跳轉(zhuǎn)指令。BWDSP芯片指令集中的跳轉(zhuǎn)指令分為4類：

（a）條件跳轉(zhuǎn)。跳轉(zhuǎn)有可能發(fā)生，也可能不發(fā)生，根據(jù)運(yùn)行時(shí)的計(jì)算結(jié)果或寄存器值確定。

（b）絕對(duì)跳轉(zhuǎn)。跳轉(zhuǎn)一定會(huì)發(fā)生，跳轉(zhuǎn)目的地址在指令機(jī)器碼中編碼。

（c）相對(duì)跳轉(zhuǎn)。跳轉(zhuǎn)一定會(huì)發(fā)生，跳轉(zhuǎn)目的地址是當(dāng)前地址加上一個(gè)偏移。

（d）寄存器跳轉(zhuǎn)。跳轉(zhuǎn)一定會(huì)發(fā)生，跳轉(zhuǎn)目的地址是某個(gè)寄存器中的值，不能從可執(zhí)行文件程序段獲取。

對(duì)于前面3類跳轉(zhuǎn)，其目的地址可以從程序段反匯編得到。而對(duì)第4類跳轉(zhuǎn)，其目的地址不能從程序段得到，需要在運(yùn)行時(shí)從某個(gè)寄存器中讀取。

②通過函數(shù)調(diào)用跳轉(zhuǎn)至其他行，這類出口稱為F（Function）類出口，這些函數(shù)的入口地址集記為F。C語言中的函數(shù)調(diào)用最終被編碼為BWDSP芯片指令集中的函數(shù)調(diào)用指令。BWDSP指令集中的函數(shù)調(diào)用指令分為兩類：

（a）絕對(duì)地址函數(shù)調(diào)用。函數(shù)調(diào)用的入口地址編碼在指令中，可以從程序段得到。

（b）寄存器函數(shù)調(diào)用。函數(shù)調(diào)用的入口地址是調(diào)用時(shí)某個(gè)寄存器中的值。

一般，直接調(diào)用C語言中的函數(shù)會(huì)編譯為第一類函數(shù)調(diào)用指令；通過函數(shù)指針調(diào)用函數(shù)會(huì)編譯為第二類函數(shù)調(diào)用指令。同樣，第一類函數(shù)調(diào)用的入口地址可以通過反匯編程序段得到，而第二類函數(shù)調(diào)用的入口地址只能在運(yùn)行時(shí)讀取某個(gè)寄存器中的值獲得。

③通過return語句跳轉(zhuǎn)至本幀的返回地址，這類出口稱為R（Return）類出口，返回地址記為R。一個(gè)函數(shù)可能有多個(gè)retrun語句，一行C語言代碼中也可能有多處函數(shù)返回。但由于程序流一定處于函數(shù)調(diào)用棧中的棧頂，該函數(shù)返回后肯定返回至上一幀的現(xiàn)場(chǎng)，所以當(dāng)前PC所處的函數(shù)中的多處return語句其實(shí)返回到同一個(gè)地址。而且，由于函數(shù)可能在多處被調(diào)用，所以該返回地址不能通過反匯編程序段獲得，只能通過運(yùn)行時(shí)函數(shù)調(diào)用棧獲得。

④直接運(yùn)行完本行代碼來到的程序地址，這類出口稱為N（Next），其出口地址記為N。程序運(yùn)行完當(dāng)前行后，會(huì)自然地運(yùn)行下一行的指令，因此下一行指令的開始地址也是本行代碼的一個(gè)出口地址。對(duì)于部分C語言代碼行，并沒有下一行出口地址。例如，若一個(gè)代碼行是一函數(shù)的最后一行，若執(zhí)行該行代碼時(shí)，或者跳轉(zhuǎn)至其他行，或返回調(diào)用函數(shù)，肯定不會(huì)進(jìn)入下一行代碼執(zhí)行。所以，本類出口可能存在，也可能不存在。

在將一行C語言代碼行的出口分為以上4類的基礎(chǔ)上，BWDSP調(diào)試系統(tǒng)通過在這些出口上設(shè)置臨時(shí)斷點(diǎn)實(shí)現(xiàn)單步調(diào)試功能。設(shè)置的臨時(shí)斷點(diǎn)位置不同，實(shí)現(xiàn)的單步調(diào)試功能也不同。對(duì)有些特殊的出口，除了設(shè)置臨時(shí)斷點(diǎn)，還要做一些特殊處理。

3 具體實(shí)現(xiàn)

3.1 跳 出

跳出是實(shí)現(xiàn)方式最簡(jiǎn)單的單步調(diào)試功能，其功能是跳出當(dāng)前函數(shù)，來到其返回地址處。由于一個(gè)函數(shù)在運(yùn)行時(shí)返回地址只有一個(gè)，即R，所以只需要在R處設(shè)置一個(gè)臨時(shí)斷點(diǎn)，然后讓被調(diào)試程序正常運(yùn)行即可。當(dāng)程序遇到斷點(diǎn)停下時(shí)，若該斷點(diǎn)為用戶設(shè)置的斷點(diǎn)，說明單步調(diào)試過程中用戶斷點(diǎn)被觸發(fā)，跳出單步調(diào)試結(jié)束。若該斷點(diǎn)為臨時(shí)斷點(diǎn)R，說明跳出功能正常實(shí)現(xiàn)，單步調(diào)試結(jié)束。若當(dāng)前函數(shù)是main函數(shù)，則函數(shù)棧中只有一幀，無需設(shè)置臨時(shí)斷點(diǎn)，直接運(yùn)行即可。

跳出單步調(diào)試功能的實(shí)現(xiàn)方案流程如圖1所示。

圖1 跳出單步調(diào)試功能實(shí)現(xiàn)流程圖

3.2 跳 過

跳過功能使程序執(zhí)行完當(dāng)前代碼行。若本代碼行中有函數(shù)調(diào)用，則執(zhí)行完該函數(shù)，并返回本代碼行繼續(xù)運(yùn)行，直至程序自然地跳出該代碼行為止。所以，跳過單步調(diào)試功能應(yīng)在L、N類出口設(shè)置臨時(shí)斷點(diǎn)。

一般，C語言程序在進(jìn)入函數(shù)和跳出函數(shù)時(shí)會(huì)有一小段代碼用來進(jìn)行函數(shù)棧入棧和出棧的操作。這一小段代碼在調(diào)試信息中一般與源代碼中函數(shù)開始和結(jié)束時(shí)的正反大括號(hào)對(duì)應(yīng)。單步調(diào)試時(shí)，若代碼行中有return語句，該語句實(shí)際上被編譯為一個(gè)跳轉(zhuǎn)語句，跳轉(zhuǎn)至函數(shù)結(jié)尾的大括號(hào)處，并不會(huì)真正返回上一層調(diào)用函數(shù)。若代碼行中有函數(shù)結(jié)束時(shí)的大括號(hào)，則程序在該代碼行中真正有可能返回調(diào)用函數(shù)。返回上一層調(diào)用函數(shù)的指令在BWDSP指令集中被編碼為RET指令，因此可以通過檢查代碼行中是否有RET指令判斷該代碼行是否有可能返回調(diào)用函數(shù)。若代碼行中有RET指令，還要在R類出口處設(shè)置斷點(diǎn)。

程序PC即使在一行代碼中間某個(gè)位置，也有可能跳回到該行代碼的開始位置繼續(xù)執(zhí)行。設(shè)置臨時(shí)斷點(diǎn)時(shí)，需要在該行代碼中的全部L類出口處都設(shè)置斷點(diǎn)，不管該跳轉(zhuǎn)指令是在當(dāng)前PC之前，還是之后。

對(duì)于L類出口中的第一類跳轉(zhuǎn)（條件跳轉(zhuǎn)）出口，不論該跳轉(zhuǎn)是否會(huì)發(fā)生，都在該出口處設(shè)置臨時(shí)斷點(diǎn)。若程序執(zhí)行了該條件跳轉(zhuǎn)，本方案可以使跳過單步調(diào)試功能正常結(jié)束。若程序沒有執(zhí)行該條件跳轉(zhuǎn)，設(shè)置的該臨時(shí)斷點(diǎn)也不會(huì)對(duì)單步調(diào)試功能產(chǎn)生影響。

對(duì)于L類出口中的第4類跳轉(zhuǎn)（寄存器跳轉(zhuǎn)），其出口地址不能在運(yùn)行之前獲得，因此也不能在出口處設(shè)置臨時(shí)斷點(diǎn)。對(duì)于這類跳轉(zhuǎn)，需要在其跳轉(zhuǎn)指令處設(shè)置臨時(shí)斷點(diǎn)，若該臨時(shí)斷點(diǎn)觸發(fā)，則讀取其跳轉(zhuǎn)目的地址寄存器的值。若讀到的跳轉(zhuǎn)目的地址在本行代碼中，則保留所有已經(jīng)設(shè)置的臨時(shí)斷點(diǎn)，繼續(xù)運(yùn)行程序。若該跳轉(zhuǎn)的目的地址不在本行代碼中，則控制程序進(jìn)行一次匯編級(jí)指令行單步以執(zhí)行該跳轉(zhuǎn)，然后結(jié)束本次單步調(diào)試過程。

由于本方案沒有在函數(shù)調(diào)用出口處設(shè)置斷點(diǎn)，若源代碼行中有多個(gè)函數(shù)調(diào)用，則這些函數(shù)調(diào)用會(huì)依次執(zhí)行，不會(huì)觸發(fā)斷點(diǎn)。

被調(diào)試程序觸發(fā)以上設(shè)置的臨時(shí)斷點(diǎn)中的任意一個(gè)，都意味著單步跳過調(diào)試過程的結(jié)束。所以，只要臨時(shí)斷點(diǎn)位置是代碼行的合法可能出口，設(shè)置多個(gè)臨時(shí)斷點(diǎn)就不會(huì)對(duì)單步調(diào)試功能的正確性產(chǎn)生影響。

本方案解決了第1節(jié)中介紹的第1、2、3、4、5、7、8、9問題，而第6個(gè)問題不會(huì)對(duì)跳過單步調(diào)試功能產(chǎn)生影響。跳過單步調(diào)試的實(shí)現(xiàn)方案流程如圖2所示。

3.3 跳 入

跳入調(diào)試功能使程序可以進(jìn)入代碼行中調(diào)用的函數(shù)內(nèi)部。若程序在當(dāng)前代碼行中的執(zhí)行過程中沒有遇到函數(shù)調(diào)用，則執(zhí)行完本代碼行即完成單步調(diào)試功能，此時(shí)其調(diào)試功能與跳過單步調(diào)試類似。顯然，實(shí)現(xiàn)單步跳入調(diào)試功能需要在L、F、R、N處都設(shè)置臨時(shí)斷點(diǎn)。

對(duì)于F類出口中的第二類函數(shù)調(diào)用（寄存器函數(shù)調(diào)用），同樣需要在函數(shù)調(diào)用指令處設(shè)置臨時(shí)斷點(diǎn)。當(dāng)該臨時(shí)斷點(diǎn)觸發(fā)時(shí)，控制程序進(jìn)行一次匯編級(jí)指令行單步，使程序進(jìn)入調(diào)用函數(shù)。

由于本方案在所有函數(shù)調(diào)用處都設(shè)置了斷點(diǎn)，所以程序會(huì)停止在執(zhí)行過程中的第一個(gè)函數(shù)調(diào)用出口。調(diào)試行為表現(xiàn)為程序會(huì)跳入執(zhí)行過程中遇到的第一個(gè)函數(shù)。

第1節(jié)中介紹的所有問題都對(duì)跳入單步調(diào)試功能有影響，而本方案可以解決所有9個(gè)問題。跳入調(diào)試功能的實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 跳過單步調(diào)試功能實(shí)現(xiàn)流程圖

BWDSP芯片配套調(diào)試系統(tǒng)的C語言單步調(diào)試功能按照本文介紹的方案實(shí)施。開發(fā)人員以任意復(fù)雜的C語言代碼行在各種復(fù)雜的調(diào)試場(chǎng)景下對(duì)單步調(diào)試功能進(jìn)行測(cè)試，調(diào)試系統(tǒng)均可按單步調(diào)試預(yù)定義的功能完成調(diào)試過程。目前，在BWDSP芯片的模擬器、編譯器、操作系統(tǒng)開發(fā)過程中，均已經(jīng)在項(xiàng)目組內(nèi)部試用本調(diào)試器進(jìn)行C語言級(jí)調(diào)試。

經(jīng)過反復(fù)測(cè)試、試用、修改，本方案已經(jīng)證實(shí)是一個(gè)理想的實(shí)施方案，可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜C語言代碼行的單步調(diào)試功能。

結(jié) 語

本文介紹了BWDSP芯片調(diào)試系統(tǒng)中C語言單步調(diào)試功能的實(shí)現(xiàn)方案。該方案充分研究了C語言一行源代碼中可能對(duì)單步調(diào)試功能產(chǎn)生影響的各種情況，充分考慮了C語言代碼行的復(fù)雜性，可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜C語言代碼行的單步調(diào)試功能。經(jīng)BWDSP芯片調(diào)試過程的驗(yàn)證，證實(shí)了本方案的有效性。

圖3 跳入單步調(diào)試功能實(shí)現(xiàn)流程圖

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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