引言
GNU免費提供了一整套工具鏈，為嵌入式Linux程序的開發(fā)和調(diào)試提供了完整的支持。其強大的gdb調(diào)試工具可以方便地對嵌入式平臺上的程序進(jìn)行跟蹤調(diào)試；而Linux下強悍的VIM編輯器，不僅可以方便地調(diào)用make文件對代碼進(jìn)行編譯，而且通過腳本的配置還可輕松地成為高效的代碼編輯環(huán)境。流傳著這樣一種說法，“世界上的程序員分三種，一種使用Emacs，一種使用VIM，剩余的是其他。”不去辯論這句話的對與錯，單純從字面意義上來理解，也足見VIM的魅力了。因此，在VIM中實現(xiàn)對嵌入式軟件的調(diào)試，我們便得到了一個高效、穩(wěn)定的嵌入式Linux的開發(fā)環(huán)境。
1 gdb對嵌入式軟件的調(diào)試模式
許多非Linux的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在使用gdb與gdb stub對目標(biāo)板進(jìn)行遠(yuǎn)程“交叉調(diào)試”；然而，因為Linux內(nèi)核實現(xiàn)了ptrace（）系統(tǒng)調(diào)用，所以在對嵌入式應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)試的時候并不需要gdb stub，而采用gdb套件提供的gdb服務(wù)器來對目標(biāo)板上的嵌入式應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)試。
目標(biāo)板上的gdb服務(wù)端gdbserver與主機上的gdb調(diào)試器的通信方式主要有兩種：使用串口通信的“交叉串行連接”和使用網(wǎng)口的“TCP/IP”聯(lián)機。鑒于PC端的方便性以及串口資源有限，尤其是現(xiàn)在的筆記本電腦甚至已經(jīng)不存在串口，所以，大多采用TCP/IP方式，即PC主機與目標(biāo)板通過網(wǎng)線直連或者PC機與目標(biāo)板通過路由或者h(yuǎn)ub等組成局域網(wǎng)通信。這種調(diào)試模式如圖1所示。
2 在VIM中實現(xiàn)對嵌入式軟件的調(diào)試
我們知道，gdb的功能雖然強大，但由于其基于命令行的操作，所以調(diào)試過程不直觀，而且Windows下的調(diào)試環(huán)境集調(diào)試與代碼編輯為一體，當(dāng)出現(xiàn)bug的時候，可以方便地對源代碼進(jìn)行修改，相比而言，gdb在這方面又有些失色。既然VIM和gdb的功能如此強大，又完全免費，而且完全適合嵌入式這種特殊的開發(fā)模式，那么有沒有將二者強強聯(lián)合的方法呢？有，那就是vimgdb。
vimgdb是給VIM提供一個可選特性的補丁。它可以在VIM編輯器里提供完整的gdb調(diào)試器支持，比如設(shè)置斷點、查看變量值、gdb命令補全等等，并且這些操作可以在VIM中直觀地顯示出來。下面闡述在VIM中實現(xiàn)對嵌入式軟件調(diào)試的具體過程。
2.1 系統(tǒng)環(huán)境及所用軟件包版本
PC操作系統(tǒng)：Ubuntu8.10。
PC編譯器：GNU gcc4.3.1。
圖1 TCP/IP聯(lián)機的嵌入式軟件調(diào)試模式
PC調(diào)試器：GNU gdb6.8。
目標(biāo)板Linux內(nèi)核：2.6.13。
目標(biāo)板CPU：S3C2440（ARM9架構(gòu)）。
交叉編譯器：armlinuxgcc3.4.1。
交叉調(diào)試器：自編譯GNU gdb6.8。
目標(biāo)板gdb服務(wù)端：自編譯 GNU gdbserver6.8。
跨平臺開發(fā)工具路徑：~/buildtools/armlinux，且已經(jīng)設(shè)置好系統(tǒng)路徑變量。
測試代碼及程序路徑：~/test，包含程序代碼test.c及Makefile。
所用軟件包存放路徑：~/down。
所用軟件包：VIM編輯器源碼vim7.1.tar.bz2、vimgdb711.13.tar.gz、GNU gdb源碼gdb6.8.tar.bz2。
2.2 對VIM源碼打vimgdb補丁并編譯安裝
① 運行下面的命令，解壓VIM源碼及vimgdb補丁文件，并對VIM源碼打補丁：
cd ~/down
tar jxvf vim7.1.tar.bz2
tar zxvf vimgdb711.13.tar.gz
patch d vim71 backup p0 < vimgdb/vim71.diff
② 運行下面命令，對VIM編譯器進(jìn)行編譯和安裝：
cd ~/down/vim71/src
make
make install
執(zhí)行完上述操作后，VIM將會被安裝在/usr/local路徑下。如果想修改安裝路徑，可在上述的編譯安裝前，打開~/down/vim71/src/Makefile文件的862行安裝路徑選項并修改。如將VIM安裝在/usr路徑下，則將 862 #prefix = $（HOME）修改為862 prefix = /usr。
③ 安裝vimgdb的runtime文件，運行下面的命令：
cd ~/down/vimgdb
tar zxfv vimgdb_runtime.tgz C /usr/share/vim/vimfiles
2.3 建立交叉調(diào)試嵌入式軟件的gdb組件
① 編譯嵌入式gdb調(diào)試器服務(wù)端gdbserver，運行如下的命令：
cd ~/down/gdb6.8/gdb/gdbserver
./cONfigurehost=armlinux target=armlinux
CC=armlinuxgcc make
將當(dāng)前目錄下的gdbserver拷貝到目標(biāo)板文件系統(tǒng)的/bin目錄下，以備交叉調(diào)試用。
② 編譯安裝交叉調(diào)試器gdb，運行如下命令：
cd ~/down/gdb6.8
./configure target=armlinux prefix=/home/popeye/buildtools/armlinux/
注意，這里的prefix的值必須填寫絕對路徑，而不能用“ ~”來替代用戶路徑/home/popeye，否則會提示prefix路徑賦值錯誤。然后運行：
make
這個過程中，可能會出現(xiàn)圖2所示的錯誤。
出現(xiàn)這種情況的原因是，編譯規(guī)則中選擇了警告選項“Werror”。它會將所有的警告轉(zhuǎn)變?yōu)殄e誤，而且出現(xiàn)的有關(guān)“getwd”函數(shù)的提示信息表明，這里編譯器檢測到的應(yīng)該是一個“警告”，而不是真正的語法錯誤。所以，需改正編譯選項：
cd~/down/gdb6.8/gdb
gedit Makefile
注意，此處的Makefile是在執(zhí)行完上述的make命令后才產(chǎn)生的，在最初的代碼包里不含有這個文件。對文件的145行進(jìn)行修改，去掉WERROR_CFLAGS的賦值，即將“145 WERROR_CFLAGS = Werror”修改成“145 WERROR_CFLAGS =”。然后：
cd ~/down/gdb6.8
make
make install
圖2 make過程中的錯誤提示
最后進(jìn)入~/buildtools/armlinux/bin中，發(fā)現(xiàn)交叉調(diào)試器armlinuxgdb已經(jīng)存在了。
2.4 在VIM中實現(xiàn)對嵌入式軟件調(diào)試前的準(zhǔn)備
在嵌入式軟件開發(fā)過程中的習(xí)慣做法是： 首先，在PC機上編譯調(diào)試程序，如果在PC機上運行正常，再進(jìn)行交叉編譯。然后，將軟件移植到目標(biāo)板上，如果在目標(biāo)板上出現(xiàn)bug，再用交叉調(diào)試器armlinuxgdb進(jìn)行調(diào)試。
簡而言之，對嵌入式軟件的調(diào)試過程包含兩個部分：PC機上調(diào)試部分和嵌入式平臺上的調(diào)試部分。在這個過程中，可能既用到PC機上的調(diào)試器gdb，又用到交叉調(diào)試器armlinuxgdb，而對應(yīng)的是同一個源代碼程序和運行在不同平臺上的兩個可執(zhí)行程序。同時涉及兩個調(diào)試器轉(zhuǎn)換的問題，但vimgdb只能對字符串為“gdb”的系統(tǒng)命令進(jìn)行調(diào)用。
下面，將這個比較困難的問題簡單化：
① 編輯適用的Makefile，控制生成對應(yīng)不同平臺的可執(zhí)行程序：
cd ~/test
其中，test.c為實驗代碼，Makefile為編譯規(guī)則，我們簡單編寫Makefile的內(nèi)容為：
testpc: test.c
gcc g Wall o testpc test.c
testem: test.c
armlinuxgcc g Wall o testem test.C
當(dāng)執(zhí)行“make testpc”命令時，就會生成可運行在PC機上的可執(zhí)行程序；執(zhí)行“make testem”則生成可運行在嵌入式目標(biāo)板上的可執(zhí)行程序。
② 修改vimgdb的快捷鍵映射腳本，在VIM中實現(xiàn)PC調(diào)試器與交叉調(diào)試器的輕松切換。
首先，針對vimgdb只能對字符串為“gdb”的系統(tǒng)命令進(jìn)行調(diào)用，做如下的工作：
mv /usr/bin/gdb /usr/bin/gdbpc
cd ~/buildtools/armlinux/bin
ln s /usr/bin/gdbpc gdb
由于已經(jīng)將~/buildtools/armlinux/bin添加到了系統(tǒng)路徑里面，所以執(zhí)行完上述操作后，在任何時候，運行“gdb”命令時，真正運行的調(diào)試器取決于這里gdb所連接的調(diào)試器。
其次，編輯文件/etc/vim/macros/gdb_mappings.vim。主要修改和添加的部分為：
a. 添加調(diào)試器轉(zhuǎn)換函數(shù)，并設(shè)置轉(zhuǎn)換開關(guān)為大寫“E”鍵（Shift+E實現(xiàn)）：
let s:emOS_k = 1
nmap
function! s:emOS（）
if s:emOS_k
let s:emOS_k = 0
exec ":!ln sf ~/buildtools/armlinux/bin/armlinuxgdb ~/buildtools/armlinux/bin/gdb"
echohl ErrorMsg
echo "NOW! Gdb is ready for Embedded System !!!"
echohl None
else
let s:emOS_k = 1
exec ":!ln sf /usr/bin/gdbpc ~/buildtools/armlinux/bin/gdb"
echohl ErrorMsg
echo "Gdb is ready for PC,, Now"
echohl None
endif
Endfunction
b. 在語句if s:gdb_k行下添加代碼：
nmap
nunmap E
即在進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)后，屏蔽掉調(diào)試器轉(zhuǎn)換快捷鍵E，并設(shè)置快捷鍵F8來顯示變量值監(jiān)測窗口。
c. 在let s:gdb_k = 1行下添加代碼：
exec ":!ln sf /usr/bin/gdbpc ~/buildtools/armlinux/bin/gdb"
nmap
即在退出調(diào)試狀態(tài)后，還原gdb命令為gdbpc的調(diào)用，并還原“E”的調(diào)試器轉(zhuǎn)換開關(guān)作用。
d. 在/etc/vim/vimrc中添寫語句：
run macros/gdb_mappings.vim
使得啟動vim后，便會在vim中啟動對gdb進(jìn)行調(diào)用的快捷鍵映射。
至于在gdb_mappings.vim中具體設(shè)定的其他快捷鍵，由讀者自己分析或設(shè)定即可。
2.5 在VIM中對嵌入式軟件進(jìn)行調(diào)試
下面設(shè)定目標(biāo)板上的嵌入式軟件調(diào)試時所用的快捷鍵： E為調(diào)試器轉(zhuǎn)換開關(guān)；F9為進(jìn)入調(diào)試模式；F8為開啟變量監(jiān)視窗口；空格鍵為開啟命令行輸入窗口；調(diào)試模式為PC通過超級終端對嵌入式目標(biāo)板進(jìn)行輸入輸出，Ubuntu8.10通過TCP/IP方式對嵌入式軟件進(jìn)行調(diào)試；PC機Linux IP為222.31.51.147；目標(biāo)板IP為222.31.51.180；調(diào)試連接端口為1234。
① 用VIM打開~/test/test.c，運行命令“：make testem”，將生成的testem文件拷貝到嵌入式平臺的文件系統(tǒng)下，并在嵌入式平臺運行命令，指定等待連接的交叉調(diào)試器地址、連接端口以及要調(diào)試的嵌入式程序：
gdbserver 222.31.51.147:1234 testem
嵌入式端會出現(xiàn)如下的類似提示信息，進(jìn)入等待連接狀態(tài)：
Process testem created; pid = 801
Listening on port 1234
② 按下大寫“E”鍵（Shift+按鍵E），根據(jù)VIM窗口下方的提示信息，確定所選調(diào)試器。
提示信息為“NOW！ Gdb is ready for Embedded System!!!”或者“Gdb is ready for PC,, Now”。
③ 按下F9，在出現(xiàn)的命令窗口輸入命令“file testem”后，會在VIM中的另一個窗口出現(xiàn)以下類似的調(diào)試信息：
GNU gdb 6.8
Copyright （C） 2008 Free Software Foundation, Inc.
……
This GDB was configured as "host=i686pclinuxgnu target=armlinux".
（gdb） file testem
Reading symbols from /home/popeye/test/testem…done.
（gdb）
可以發(fā)現(xiàn)，在VIM中已經(jīng)成功調(diào)用交叉調(diào)試器armlinuxgdb了。以后的調(diào)試命令，都是通過先按下空格鍵，調(diào)出命令窗口，輸入命令，回車后傳遞給調(diào)試器。
按下空格，在命令窗口輸入命令，連接嵌入式目標(biāo)板端：
target remote 222.31.51.180:1234
此時，VIM中的調(diào)試信息窗口出現(xiàn)信息：
（gdb） target remote 222.31.51.180:1234
Remote debugging using 222.31.51.180:1234
[New Thread 801]
0x40000dd0 in ?? （） from /lib/ldlinux.so.2
（gdb）
而在嵌入式端出現(xiàn)提示信息：
ProcESS testem created; pid = 801
Listening on port 1234
Remote debugging from host 222.31.51.147
至此，PC交叉調(diào)試器與嵌入式軟件的連接完成，現(xiàn)在可以在VIM中對程序運行進(jìn)行例如斷點一類的設(shè)置動作；而嵌入式軟件的輸入輸出，需要在嵌入式端來完成。這里先通過命令對代碼設(shè)置斷點，然后用命令continue繼續(xù)程序運行（注意，這里不用run開始，因為當(dāng)調(diào)試器與嵌入式端連接完成時，被調(diào)試的嵌入式軟件已經(jīng)開始運行），用命令next對程序?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)調(diào)試。調(diào)試過程中的VIM如圖3所示。
圖3 正在進(jìn)行交叉調(diào)試的VIM
圖中測試代碼要實現(xiàn)的是讓用戶輸入5個數(shù)，然后經(jīng)過排序后輸出。對應(yīng)的輸入輸出在嵌入式端體現(xiàn)出來。對應(yīng)圖3，此時在嵌入式端需要進(jìn)行輸入動作：
Listening on port 1234
Remote debugging from host 222.31.51.147
Enter 10 numbers:
a[0]=25
a[1]=56
a[2]=……
從圖3中可以直觀地看清斷點設(shè)置在哪里，程序現(xiàn)在步進(jìn)到哪里。當(dāng)程序第一次運行到圖3中的17行時，按下F8鍵，開啟變量值觀測窗口，然后先后執(zhí)行3個命令“cr i”、“cr j”、“cr a[i]”，這樣，就可以在變量觀測窗口實時地監(jiān)測變量的數(shù)值了，如圖4所示。
圖4 帶實時變量值監(jiān)測窗口的VIM
這種調(diào)試方式提供對gdb所有命令功能的支持，而且當(dāng)發(fā)現(xiàn)bug時，可以通過q命令終止調(diào)試，然后按F9跳出調(diào)試模式，就可以繼續(xù)對源代碼進(jìn)行修改。
至于在這之前的嵌入式軟件在本地PC機上的調(diào)試，其過程比起調(diào)試運行在嵌入式設(shè)備上的軟件來講，只少了個遠(yuǎn)程連接的過程，其余調(diào)試過程都一樣。至此，實現(xiàn)了在VIM中對嵌入式軟件的調(diào)試。
3 結(jié)語
嵌入式Linux系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，對嵌入式軟件開發(fā)和調(diào)試環(huán)境的效率提出了更高的要求。GNU所提供的支持交叉編譯與調(diào)試的工具鏈?zhǔn)且粋€很好的選擇，尤其是其中的gdb調(diào)試工具完全滿足嵌入式軟件“交叉編譯”的這種特殊需要；而且，功能強大的VIM編輯器又可實現(xiàn)對gdb調(diào)試器的整合，從而在VIM中實現(xiàn)了對嵌入式軟件的調(diào)試功能。通過上面的實例可以看到，在VIM中對嵌入式軟件進(jìn)行調(diào)試更加直觀和高效，從而也促使嵌入式軟件的開發(fā)效率得到了質(zhì)的提高。
