嵌入式軟件微驅(qū)動(dòng)器遠(yuǎn)程虛擬調(diào)試與仿真

舒曉苓，吳雪琴

(電子科技大學(xué)成都學(xué)院，四川 成都611731)

1 引言

為迎合市場(chǎng)，需縮短嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)周期，因此嵌入式軟件缺陷出現(xiàn)概率增大。嵌入式軟件微驅(qū)動(dòng)器在各大領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，對(duì)微驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)發(fā)要求較為嚴(yán)格，既要考慮其工作頻率，又要考慮其性能。為避免微驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)現(xiàn)實(shí)缺陷問(wèn)題，需研究遠(yuǎn)程調(diào)試方法。遠(yuǎn)程調(diào)試方法在微驅(qū)動(dòng)器開(kāi)發(fā)過(guò)程中具有重要地位，遠(yuǎn)程調(diào)試功能是判斷一個(gè)開(kāi)發(fā)工具好壞的關(guān)鍵指標(biāo)。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試可獲取更為安全可靠的微驅(qū)動(dòng)器，令其在不同領(lǐng)域均能實(shí)現(xiàn)理想性能，在較低的微處理器使用功耗約束下，提升其工作頻率。

聶佳等人為降低維護(hù)成本，針對(duì)設(shè)備故障設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程調(diào)試方法，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程調(diào)試；張根燦等人為實(shí)現(xiàn)質(zhì)子注入器的遠(yuǎn)程調(diào)試，通過(guò)Python程序設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程調(diào)試方法，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子注入器的遠(yuǎn)程調(diào)試。這兩種方法均只能夠完成一對(duì)一的調(diào)試過(guò)程，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多個(gè)宿主機(jī)對(duì)同一嵌入式軟件微處理器展開(kāi)調(diào)試。

為此，研究嵌入式軟件微驅(qū)動(dòng)器虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試仿真，實(shí)現(xiàn)多個(gè)宿主機(jī)對(duì)同一微處理器的虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試，降低微驅(qū)動(dòng)器功耗，提升其工作頻率。

2 虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試仿真

2.1 整體架構(gòu)

基于調(diào)試代理的嵌入式軟件微驅(qū)動(dòng)器虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試方法的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于調(diào)試代理的虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試的整體架構(gòu)

該方法中各開(kāi)發(fā)人員在本地IDE編輯與連接源代碼，利用虛擬USB設(shè)備連接調(diào)式代理和嵌入式軟件微驅(qū)動(dòng)器、調(diào)試器，實(shí)現(xiàn)虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試。

嵌入式軟件微驅(qū)動(dòng)器利用監(jiān)控單元實(shí)時(shí)監(jiān)控其內(nèi)部遠(yuǎn)程調(diào)試結(jié)果，通過(guò)時(shí)鐘控制單元、數(shù)據(jù)處理單元與數(shù)據(jù)寫(xiě)回單元處理監(jiān)控結(jié)果，并傳輸至調(diào)試代理。調(diào)試代理屬于調(diào)試器與嵌入式微驅(qū)動(dòng)器監(jiān)控間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，調(diào)試代理利用虛擬USB設(shè)備接收全部宿主機(jī)的命令；數(shù)據(jù)解析單元通過(guò)矩陣概率檢驗(yàn)算法檢測(cè)接收命令中協(xié)議的安全性，剔除危險(xiǎn)的協(xié)議，獲取安全命令；利用數(shù)據(jù)分發(fā)單元與IP/端口線(xiàn)程表完成安全命令的精準(zhǔn)分發(fā)；利用虛擬USB設(shè)備發(fā)送安全命令至調(diào)試器；利用調(diào)試器虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試微驅(qū)動(dòng)器；通過(guò)各宿主機(jī)內(nèi)的調(diào)試器分析微驅(qū)動(dòng)器程序和源程序間的映射，在本地微驅(qū)動(dòng)器文件內(nèi)存儲(chǔ)調(diào)試完成的信息。

2.2 基于矩陣概率檢驗(yàn)的協(xié)議安全檢測(cè)

在協(xié)議的隨機(jī)性測(cè)試時(shí)，通過(guò)矩陣元素概率分布衡量協(xié)議的隨機(jī)性，為增強(qiáng)協(xié)議隨機(jī)性檢測(cè)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)一種規(guī)范的測(cè)試組織與序列劃分方式，衡量協(xié)議序列的穩(wěn)定性與加密強(qiáng)度。測(cè)試組織的設(shè)計(jì)步驟如下：

步驟1：對(duì)待檢測(cè)協(xié)議序列展開(kāi)分組，編號(hào)為1，2，…，；

步驟2：頻數(shù)檢驗(yàn)各組協(xié)議序列，檢查所檢驗(yàn)序列各部分的隨機(jī)性，若待檢測(cè)序列沒(méi)有通過(guò)頻數(shù)檢驗(yàn)，那么檢驗(yàn)結(jié)束，獲取該序列不隨機(jī)的結(jié)論，代表該協(xié)議沒(méi)有展開(kāi)加密處理，若通過(guò)頻數(shù)檢驗(yàn)，轉(zhuǎn)至步驟3；

步驟3：以疊加序列的測(cè)試方式，展開(kāi)矩陣概率檢驗(yàn)，檢查協(xié)議序列的隨機(jī)平穩(wěn)性，衡量協(xié)議加密程度的強(qiáng)弱。

頻數(shù)檢驗(yàn)具有檢測(cè)效率快的優(yōu)勢(shì)，因此，利用頻數(shù)檢驗(yàn)進(jìn)行先驗(yàn)，若未通過(guò)該檢驗(yàn)，則結(jié)束檢驗(yàn)，節(jié)約協(xié)議安全檢測(cè)時(shí)間，具體步驟如下：

步驟1：將協(xié)議序列內(nèi)的0碼變更成-1碼，1碼變更成+1碼，通過(guò)式(1)計(jì)算序列變更后的疊加和，指定變更為=2-1，序列內(nèi)第個(gè)點(diǎn)是，序列最短長(zhǎng)度≥100比特，計(jì)算序列變更后的疊加和公式如下

=++…+

(1)

步驟2：求解統(tǒng)計(jì)量，公式如下

(2)

步驟3：求解最終概率值-，公式如下

(3)

其中，(·)為余誤差函數(shù)。

步驟4：對(duì)比分析-和顯著性水平=001，若-≥，那么這個(gè)協(xié)議待檢測(cè)序列通過(guò)頻數(shù)檢驗(yàn)，反之，沒(méi)有通過(guò)頻數(shù)檢驗(yàn)，說(shuō)明這個(gè)協(xié)議待檢測(cè)序列為不隨機(jī)的。

通過(guò)-值的均勻分布方法衡量協(xié)議序列的均勻分布特性，具體步驟如下：

步驟1：計(jì)算數(shù)個(gè)分組的待檢測(cè)協(xié)議序列的-值的集合，通過(guò)檢查-值的通過(guò)率與概率分布特性，評(píng)價(jià)協(xié)議加密強(qiáng)度，將強(qiáng)度等級(jí)等分成10個(gè)區(qū)間，取值區(qū)間為[0，1]，因?yàn)?span id="j5i0abt0b" class="subscript">-為區(qū)間[0，1]間的實(shí)數(shù)，因此在序列數(shù)量很多的情況下，-值應(yīng)該均勻分布在10個(gè)區(qū)間中；

步驟2：記錄各區(qū)間中與-相應(yīng)的頻次，那么

++…+=

(4)

其中，為序列數(shù)量。

求解統(tǒng)計(jì)量的分布，公式如下

(5)

步驟3：求解假設(shè)條件時(shí)形成的概率，公式如下

-=(92，2)

(6)

若->00001，說(shuō)明該協(xié)議待檢測(cè)序列滿(mǎn)足均勻分布特性，代表該協(xié)議隨機(jī)性較佳。

通過(guò)頻數(shù)檢驗(yàn)后的協(xié)議序列，經(jīng)由矩陣概率檢驗(yàn)其隨機(jī)性的強(qiáng)弱，檢驗(yàn)步驟如下：

(7)

矩陣概率檢驗(yàn)步驟如下：

步驟1：分割長(zhǎng)度是的協(xié)議待檢序列，獲取兩個(gè)=?2」比特的區(qū)塊，這兩個(gè)區(qū)塊無(wú)交集，剔除余下的-2×比特；

步驟2：針對(duì)2個(gè)比特的區(qū)塊，為其建立兩個(gè)×的和，=，計(jì)算與內(nèi)0碼的出現(xiàn)比例，計(jì)算公式如下：

=(=0)=方陣內(nèi)0碼的數(shù)量

(8)

=(=0)=方陣內(nèi)0碼的數(shù)量

(9)

令方陣內(nèi)的元素為二元序列，記作，1≤≤。

利用式(10)求解各方陣內(nèi)0碼的占比，公式如下

(10)

步驟3：求解內(nèi)0碼的統(tǒng)計(jì)比例即統(tǒng)計(jì)值，公式如下

()=(=0)=方陣內(nèi)0碼的數(shù)量

(11)

步驟4：求解與相應(yīng)的的期望值=(+-)，在和()差距近似于0情況下，代表該協(xié)議序列通過(guò)矩陣概率檢驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)上述分析可知，若協(xié)議序列沒(méi)有通過(guò)頻數(shù)檢驗(yàn)，那么說(shuō)明該協(xié)議的隨機(jī)性較差，代表其沒(méi)有應(yīng)用加密措施；若協(xié)議序列通過(guò)頻數(shù)檢驗(yàn)，且滿(mǎn)足均勻分布特性，那么說(shuō)明該協(xié)議的隨機(jī)性較好，能夠展開(kāi)矩陣概率檢驗(yàn)；若協(xié)議序列沒(méi)有通過(guò)矩陣概率檢驗(yàn)，那么說(shuō)明該協(xié)議的加密機(jī)制安全性較低；若協(xié)議序列通過(guò)矩陣概率檢驗(yàn)，那么說(shuō)明該協(xié)議的隨機(jī)性穩(wěn)定性強(qiáng)，代表其加密機(jī)制安全性高。

2.3 嵌入式軟件微驅(qū)動(dòng)器虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試的實(shí)現(xiàn)

嵌入式軟件微驅(qū)動(dòng)器虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是調(diào)試代理的實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)分析全部宿主機(jī)的命令，處理目標(biāo)機(jī)傳回的數(shù)據(jù)。宿主機(jī)數(shù)量提升，導(dǎo)致調(diào)試代理出現(xiàn)緩沖區(qū)溢出問(wèn)題，針對(duì)該問(wèn)題，在調(diào)試代理部分設(shè)計(jì)兩個(gè)線(xiàn)程與，與分別用于接收與分析報(bào)文，通過(guò)環(huán)形緩沖存儲(chǔ)接收的報(bào)文，在接收一幀數(shù)據(jù)包情況下，調(diào)整寫(xiě)指針尺寸，設(shè)計(jì)環(huán)形緩沖尺寸，設(shè)計(jì)時(shí)需參考宿主機(jī)真實(shí)個(gè)數(shù)與報(bào)文流量；按照讀寫(xiě)針尺寸衡量?jī)?nèi)有無(wú)需分析的數(shù)據(jù)包，完成分析后，調(diào)整讀寫(xiě)針尺寸。因?yàn)閮H需將接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至緩沖區(qū)，無(wú)需分析數(shù)據(jù)，所以可確保宿主機(jī)數(shù)據(jù)接收的實(shí)時(shí)性，可一直監(jiān)控緩沖區(qū)，依據(jù)設(shè)置的協(xié)議分析監(jiān)控區(qū)域數(shù)據(jù)。

宿主機(jī)數(shù)量提升，還會(huì)導(dǎo)致調(diào)試代理無(wú)法將監(jiān)控結(jié)果精準(zhǔn)分發(fā)至宿主機(jī)內(nèi)，針對(duì)該問(wèn)題，在調(diào)試代理中塑造一個(gè)宿主機(jī)地址至端口的線(xiàn)性映射表，在接收連接命令情況下，調(diào)試代理需要衡量該連接是否是新的，衡量依據(jù)是線(xiàn)性映射表，同時(shí)為其設(shè)置一個(gè)空閑端口。利用這個(gè)端口，宿主機(jī)傳遞命令至調(diào)試代理，調(diào)試代理為各個(gè)分配端口都塑造一個(gè)與。在目標(biāo)機(jī)存在數(shù)據(jù)情況下，調(diào)試代理內(nèi)相應(yīng)端口的先衡量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，再利用線(xiàn)性映射表將數(shù)據(jù)分發(fā)至相應(yīng)宿主機(jī)，確保數(shù)據(jù)分析的實(shí)時(shí)性與數(shù)據(jù)分發(fā)的精準(zhǔn)性。

3 仿真分析

3.1 仿真工具

為驗(yàn)證本文方法的有效性，利用MATLAB仿真工具對(duì)本文方法虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試嵌入式軟件微驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試結(jié)果展開(kāi)仿真計(jì)算。MATLAB仿真工具具備優(yōu)越的繪圖功能、超快的計(jì)算能力與可視化操作等特點(diǎn)，屬于一種易于操作的編程仿真工具，自帶各種各樣的函數(shù)，可擴(kuò)展性強(qiáng)。MATLAB仿真工具的開(kāi)發(fā)環(huán)境具有圖形窗口與命令窗口等，通過(guò)幫助窗口提取不同命令與函數(shù)，利用編輯窗口建立并調(diào)整MATLAB腳本，依據(jù)圖形窗口繪制圖片，采用命令窗口輸入命令，自動(dòng)生成調(diào)試結(jié)果。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

利用本文方法虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試嵌入式軟件微驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)由MATLAB仿真工具呈現(xiàn)仿真調(diào)試結(jié)果，仿真遠(yuǎn)程調(diào)試部分結(jié)果如圖2所示。

圖2 仿真遠(yuǎn)程調(diào)試部分結(jié)果

根據(jù)圖2可知，本文方法可有效完成數(shù)據(jù)分發(fā)，實(shí)現(xiàn)嵌入式軟件微驅(qū)動(dòng)器虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試。

選擇文獻(xiàn)[4]的電機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)試方法與文獻(xiàn)[5]的質(zhì)子注入器遠(yuǎn)程調(diào)試方法作為本次實(shí)驗(yàn)的對(duì)比方法，通過(guò)不同虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試功能，仿真分析三種方法的時(shí)間性能，仿真分析結(jié)果如表1所示。

表1 時(shí)間性能仿真分析結(jié)果

根據(jù)表1可知，在不同調(diào)試功能時(shí)，本文方法的調(diào)試時(shí)間均顯著低于其余兩種方法，本文方法平均調(diào)試時(shí)間為62.36ms，其余兩種方法的平均調(diào)試時(shí)間分別為116.23ms、100.68ms；本文方法調(diào)試時(shí)間較快的原因是：本次研究利用目標(biāo)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)試過(guò)程，及時(shí)反饋監(jiān)控結(jié)果至調(diào)試代理，加快調(diào)試時(shí)間。

為仿真分析本文方法協(xié)議安全檢測(cè)的有效性，在嵌入式軟件微驅(qū)動(dòng)器虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試過(guò)程中，隨機(jī)選取兩套協(xié)議當(dāng)成待檢測(cè)樣本，這兩套協(xié)議分別屬于未采取加密措施與采取加密措施的協(xié)議，每個(gè)待檢測(cè)樣本中均包含20組50Byte的序列，顯著性水平是0.01，利用本文方法對(duì)未采取加密措施協(xié)議的安全性展開(kāi)頻數(shù)檢驗(yàn)，仿真分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真分析結(jié)果

根據(jù)圖3可知，該協(xié)議內(nèi)全部序列的-值均未超過(guò)001，說(shuō)明這些序列均未通過(guò)頻數(shù)檢驗(yàn)，即該協(xié)議的隨機(jī)性不佳，代表該協(xié)議未采取加密措施，與實(shí)際情況相符，這些序列為通過(guò)頻數(shù)檢驗(yàn)便無(wú)需進(jìn)行后續(xù)的矩陣概率檢驗(yàn)。

利用本文方法檢測(cè)采取加密措施協(xié)議的安全性，仿真分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真分析結(jié)果

根據(jù)圖4可知，該協(xié)議內(nèi)全部序列的-值均高于001，說(shuō)明該協(xié)議通過(guò)頻數(shù)檢驗(yàn)，同時(shí)-值在區(qū)間[0，1]間分布較為均勻，需要繼續(xù)展開(kāi)矩陣概率檢驗(yàn)；根據(jù)矩陣概率檢驗(yàn)結(jié)果可知，共有五個(gè)序列的期望值和統(tǒng)計(jì)值差距較大，沒(méi)有通過(guò)矩陣概率檢驗(yàn)，剩余序列期望值與統(tǒng)計(jì)值差距較小，均通過(guò)了矩陣概率檢驗(yàn)，說(shuō)明該協(xié)議采取了加密措施，隨機(jī)性較佳，但加密強(qiáng)度較低。實(shí)驗(yàn)證明：本文方法能夠有效檢測(cè)出協(xié)議是否采取加密措施，并獲取其加密強(qiáng)度，具備較優(yōu)的協(xié)議安全檢測(cè)效果。

仿真分析經(jīng)過(guò)本文方法虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試前后，微驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部各單元的功耗與工作頻率，仿真分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 調(diào)試前后功耗與工作頻率仿真分析結(jié)果

根據(jù)圖5可知，利用本文方法虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試后，微驅(qū)動(dòng)器內(nèi)各單元的功耗均明顯低于調(diào)試前，各單元的工作頻率均明顯高于調(diào)試前，說(shuō)明應(yīng)用本文方法虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試微驅(qū)動(dòng)器后，可有效降低其功耗，提升其工作頻率。

4 結(jié)論

嵌入式軟件微處理器的更新速度顯著加快，導(dǎo)致其開(kāi)發(fā)周期縮短，加大了后期調(diào)試難度，一種好的遠(yuǎn)程調(diào)試方法對(duì)嵌入式軟件微處理器的開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。為此，研究嵌入式軟件微驅(qū)動(dòng)器虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試方法。設(shè)計(jì)虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試，利用矩陣概率檢驗(yàn)檢測(cè)發(fā)布命令協(xié)議安全性，剔除不安全的協(xié)議，確保虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試的安全。

仿真結(jié)果表明：所研究方法可有效實(shí)現(xiàn)虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試，縮短調(diào)試時(shí)間。本文采用虛擬USB設(shè)備實(shí)現(xiàn)嵌入式軟件微處理器調(diào)試器、調(diào)試代理與目標(biāo)機(jī)間的通信，其數(shù)據(jù)傳輸距離有限，日后可以研究遠(yuǎn)程調(diào)試通道擴(kuò)展方法，延長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸距離，使虛擬遠(yuǎn)程調(diào)試方法在更多場(chǎng)合應(yīng)用。