К. Костюхин - ОТЛАДКА СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ. Обзор

Предметом настоящего обзора является отладка систем реального времени.

Под системой реального времени (СРВ) мы понимаем систему, в которой корректность функционирования зависит от соблюдения временных ограничений.

Существующие СРВ являются многозадачными. Многозадачность реализуется через многопроцессность[1] и многопоточность.

Многопроцессность в СРВ имеет существенные недостатки, поскольку требует поддержки времени выполнения для доступа к памяти, и, следовательно, при переключении контекстов системе нужно выполнить дополнительные действия.

Многопоточность — это наиболее распространенный подход при проектировании систем реального времени, при котором СРВ представляет собой один процесс, в рамках которого запущено несколько потоков.

Недостатком многопоточности является возможность модификации чужих данных какой-либо задачей (из-за отсутствия защиты). В связи с этим в СРВ представлены средства синхронизации, то есть средства, обеспечивающие задачам доступ к разделяемым ресурсам. К таким средствам относятся семафоры (бинарные и счетчики), мьютексы, очереди сообщений (см. [1],[3],[25]).

Структура СРВ приведена на рис. 1, где прикладной код — это совокупность пользовательских потоков управления, ОСРВ — операционная система реального времени, обеспечивающая планирование, синхронизацию и взаимодействие пользовательских потоков управления.

Рис. 1. Структура системы реального времени

Будем называть распределенную систему распределенной системой реального времени (РСРВ), если корректность ее функционирования зависит также и от ограничений, накладываемых на время обмена между компонентами системы.

Отладка в СРВ направлена на обнаружение и исправление ошибок в прикладном коде. Она является одним из этапов кросс-разработки, схему которой можно представить следующим образом. Разработка приложения ведется как минимум на двух машинах: инструментальной и целевой. На инструментальной платформе происходит написание исходного текста, компиляция и сборка. На целевой — загрузка приложения, его тестирование и отладка.

Ввиду того, что целевая платформа, как правило, обладает более ограниченными ресурсами, чем инструментальная, отладка распределенных систем реального времени может быть двух видов.

Первый из них — имитация архитектуры целевой платформы, то есть возможность отладки целевых программных средств без использования самой платформы. Подобная имитация, как правило, не дает возможности провести подробное и полное тестирование ПО. Поэтому, такой тип отладки применяется только в случае отсутствия целевой платформы.

Второй способ — удаленная отладка (кросс-отладка). Кросс-отладка позволяет использовать ресурсы инструментальной системы при изучении поведения некоторого процесса в целевой системе.

Эффективность удаленной отладки зависит от типа связи инструментальной и целевой машин, а также от поддержки средств отладки со стороны целевой архитектуры.

Ключевым требованием к средствам отладки является возможность наблюдать и анализировать весь процесс выполнения отлаживаемых задач, а также системы в целом. В данной работе рассматриваются два метода отладки: активная отладка и мониторинг.

Суть активной отладки состоит в том, что отладчик имеет право останавливать выполнение задачи или всей системы, начинать или продолжать выполнение с некоторого адреса, отличного от точки останова, изменять значения переменных и регистров, и.т.д. Недостаток этого метода заключается в том, что отладчик может вносить серьезные сбои в нормальную работу системы в связи с устанавливаемыми временными ограничениями. Этого можно избежать, остановив некоторую группу задач или всю систему целиком, о чем будет подробнее сказано ниже. Преимущество метода состоит в возможности корректировать поведение задачи в процессе ее выполнения.

Под мониторингом понимается сбор данных о задаче (значения регистров, переменных, и.т. д) или о системе в целом (стадии выполнения задач, происходящие события, и.т. д).

Осуществлять сбор данных помогает псевдо-агент (набор инструкций, встроенных в код задачи). Обычно его добавляют на этапе проектирования. Простой пример псевдо-агента — вызов assert, позволяющий вести диагностику работы задачи.

В процессе мониторинга отладчик практически не вмешивается в работу системы, обеспечивая нормальное ее функцирование, но вместе с тем не имеет возможности влиять на ход выполнения отлаживаемого приложения.

Отмеченные выше методы отладки позволяют выявлять и устранять ошибки следующего характера:

1. Ошибки в программном обеспечении, влекущие непнеправильное выполнение задачи (безотносительно времени). Обычные ошибки, обнаруживаемые средствами активной отладки. Эти средства будут рассмотрены в разделе

2. Ошибки в ОСРВ: ошибки планирования, синхронизации и связи. Для отладки, в этом случае, надо использовать один из способов мониторинга. Подробно средства мониторинга описаны в разделе

3. Логические ошибки, связанные с асинхронностью. Пример такого рода ошибок и способы их устранения будут приведены в разделе

4. Ошибки, связанные с тем, что данные задачи были изменены другой задачей. Локализацию ошибок лучше проводить, используя мониторинг, а именно: осуществлять периодический контроль целостности данных, временно запрещать другим задачам доступ к некоторым участкам кода или данных.

В общем случае кросс-отладчик состоит из 2 основных модулей: менеджера на инструментальной платформе и агента отладки на целевой стороне. Менеджер служит для обеспечения пользовательского интерфейса, то есть для приема команд, их обработки и посылки на целевую сторону, а также для приема, обработки и выдачи информации от агента, который осуществляет непосредственную работу с отлаживаемой системой. Возможности агента отладки зависят от особенностей архитектуры системы, а именно:

• имеет ли система встроенные средства отладки (в этом случае агенту достаточно осуществлять вызов соответствующих функций и пересылать результаты менеджеру);

• какие она предоставляет возможности по созданию обработчиков (для контроля за происходящими событиями агенту может потребоваться собственный обработчик);

• вызовы каких функций дозволено делать агенту.

Кроме того, агент отладки должен поддерживать возможность приема и передачи информации от псевдо-агентов, встроенных в код отлаживаемых программ. Агент отладки может состоять из нескольких модулей, например, один осуществляет сбор данных, другой производит фильтрацию, третий осуществляет пересылку данных менеджеру.

Общая структура активного кросс-отладчика приведена на рис. 2.

Рис. 2. Активный кросс-отладчик

Рассмотрим протокол «менеджер-агент» на примере отладчика VxGDB (Wind River Systems, целевая система — VxWorks). Этот протокол базируется на RPC (Remote Procedure Call). Запросы менеджера можно классифицировать следующим образом:

1. Запросы работы с модулями

Сюда относятся запрос на загрузку модуля, запрос на получении информации о загрузочном файле и запрос на получение информации о символе.

2. Запросы работы с задачами

Это запросы на запуск, остановку и удаление задачи, на присоединение и отсоединение от запущенной задачи, на установку и удаление точки прерывания, на продолжение выполнения остановленной задачи.

3. ptrace-запросы

Агент отладки эмулирует функцию ptrace и передает ей соответствующие запросы на чтение и запись.

Существует набор базовых действий, позволяющих пользователю осуществлять контроль за выполнением отлаживаемой задачи. Эти действия можно классифицировать следующим образом:

• предварительные действия отладчика;

• прерывание выполнения задачи;

• получение информации;

• продолжение/изменение выполнения задачи.

1) Предварительные действия отладчика

 • загрузка модуля на целевой стороне;

 • запуск нужной задачи;

 • если задача была запущена средствами системы, то присоединение к ней (в этом случае выполнение задачи останавливается и становится возможным производить отладочные действия);

 • переключение между задачами.

Отладчик также выполняет и обратные действия, то есть отсоединение от задачи, прекращение ее выполнения и выгрузка соответствующего модуля.