使用EJTAG調(diào)試操作系統(tǒng)內(nèi)核

江雪+鐘逸+邵晨龍+曹子鈺+李洋

摘要：本文簡(jiǎn)述了EJTAG的相關(guān)基礎(chǔ)概念，探究了使用EJTAG對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行調(diào)試的可行性。

關(guān)鍵詞：EJTAG；內(nèi)核調(diào)試

1 前言

在gdb里調(diào)試普通應(yīng)用程序時(shí)，執(zhí)行r命令，程序才會(huì)運(yùn)行起來。而直到程序遇到事先設(shè)置的斷點(diǎn)，它才會(huì)停下。然而，對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)試卻不能遵循這個(gè)流程，因?yàn)橄到y(tǒng)啟動(dòng)后，內(nèi)核就已經(jīng)在運(yùn)行了。本文簡(jiǎn)述了EJTAG的相關(guān)基礎(chǔ)概念，探究了使用EJTAG對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行調(diào)試的可行性。

2 EJTAG介紹

EJTAG（Enhanced Joint Test Action Group）是MIPS公司根據(jù)IEEE 1149.1協(xié)議的基本構(gòu)造和功能擴(kuò)展而制定的規(guī)范，是一個(gè)硬件/軟件子系統(tǒng)，在處理器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了一套基于硬件的調(diào)試特性，用于支持片上調(diào)試。

EJTAG由ARM的JTAG發(fā)展而來，而JTAG的設(shè)計(jì)，原意便是對(duì)制作好的CPU進(jìn)行測(cè)試。因此，它“夠底層”，能夠在不依賴于上層操作系統(tǒng)的前提下，直接對(duì)CPU進(jìn)行操作，令CPU執(zhí)行指定的機(jī)器碼指令。而能夠控制CPU執(zhí)行特定指令，理論就可以讓電腦執(zhí)行任意操作，當(dāng)然也就可以讀寫寄存器，讀寫內(nèi)存，設(shè)置斷點(diǎn)。

3 調(diào)試模式

要想讓內(nèi)核停止下來，只有使用EJTAG進(jìn)入調(diào)試模式。調(diào)試模式下，內(nèi)核停止運(yùn)行，系統(tǒng)可供EJTAG觀察和調(diào)試，類似于gdb調(diào)試應(yīng)用程序時(shí)進(jìn)入斷點(diǎn)的情況。

要想使用EJTAG進(jìn)入調(diào)試模式，比較常見的方式有這么幾種：CPU執(zhí)行SDBBP指令、EJTAG斷點(diǎn)寄存器置位、單步調(diào)試等。這里讓正在運(yùn)轉(zhuǎn)的內(nèi)核進(jìn)入調(diào)試模式，一般采用將EJTAG斷點(diǎn)寄存器置位的辦法。

其實(shí)在gdb中，也可以通過信號(hào)使程序暫停運(yùn)行以供調(diào)試。而較為成熟的IDE，一般也都提供了調(diào)試時(shí)暫停的功能，比如開源跨平臺(tái)的Eclipse。

總之，調(diào)試模式是一種程序停止運(yùn)行的狀態(tài)。在調(diào)試模式這一時(shí)間停止的狀態(tài)下，才能對(duì)內(nèi)核進(jìn)行各種狀態(tài)的觀察，才能控制內(nèi)核的運(yùn)行情況。本文中的EJTAG調(diào)試均是在調(diào)試模式下完成的。

4 邊界掃描

邊界掃描是EJTAG調(diào)試中一個(gè)很重要的概念，其特點(diǎn)是在待測(cè)試芯片的每個(gè)引腳上添加一個(gè)移位寄存器，由于移位寄存器在芯片的邊界上，所以被稱作是邊界掃描寄存器（Boundary-Scan Register Cell）。

正常工作的時(shí)候，這些移位寄存器是透明的，并不會(huì)對(duì)芯片的輸入輸出造成任何影響；而在調(diào)試的時(shí)候，配合TAP狀態(tài)機(jī)的各種狀態(tài)，移位寄存器可起到直接控制引腳的輸入輸出。簡(jiǎn)單的說，Capture-DR/Capture-IR狀態(tài)和Update-DR/Update-IR狀態(tài)，可以將引腳上的數(shù)據(jù)捕獲到移位寄存器，或是從移位寄存器更新引腳上的數(shù)據(jù)。而在Shift-DR/Shift-IR狀態(tài)下，這些移位寄存器可以通過TDI和TDO進(jìn)行數(shù)值的移位輸入輸出，從而設(shè)置或是讀取芯片各引腳的電平。

5 TAP原理

對(duì)邊界掃描鏈的控制主要是通過TAP（Test Access Port）控制器來完成的。EJTAG標(biāo)準(zhǔn)中定義了TAP控制器，可以使EJTAG通過狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較復(fù)雜的功能。通過給TMS引腳輸入不同的信號(hào)，即可讓TAP控制器進(jìn)入不同的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)特定的功能。

TAP控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖如圖1所示?？梢钥吹綀D中有許多以DR和IR為后綴的狀態(tài)，這些狀態(tài)表示當(dāng)前正對(duì)數(shù)據(jù)寄存器（Data Register）或指令寄存器（Instruction Register）進(jìn)行操作。由于這兩類狀態(tài)的原理類似，只是面向的操作對(duì)象不同，因此下面對(duì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中的重要狀態(tài)進(jìn)行介紹時(shí)，若狀態(tài)以DR/IR為后綴，僅以數(shù)據(jù)寄存器（Data Register）為例來進(jìn)行描述。

簡(jiǎn)單的說來，操作TAP控制器一般是如下流程（以Run-Test/Idle起，Run-Test/Idle止為例）：先通過設(shè)置TMS進(jìn)入Shift-IR狀態(tài)（TMS依次輸入1100即可，下同），設(shè)置五位的IR寄存器來選擇指令；然后經(jīng)過Update-IR返回Run-Test/Idle。再之后進(jìn)入Shift-DR來設(shè)置DR寄存器來設(shè)置剛剛所選指令的值，最后經(jīng)過Upadate-IR返回Run-Test/Idle。比如，在Shift-IR狀態(tài)下，TDI輸入01010，可選中EJTAG控制寄存器；隨后在Shift-DR狀態(tài)下，TDI即可設(shè)置EJTAG控制寄存器的值。

6 小結(jié)

本文講述了EJTAG的基礎(chǔ)知識(shí)，并逐步講述了設(shè)置EJTAG控制寄存器的方式。按照此種思路，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)核的指令集調(diào)試乃至源碼級(jí)調(diào)試，驗(yàn)證了EJTAG調(diào)試系統(tǒng)內(nèi)核的可行性。

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