如何使用靜態(tài)呼叫流瀏覽器對嵌入式設(shè)備軟件進行故障排除

物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設(shè)備呈指數(shù)級增長，這要歸功于具有射頻連接和微控制器內(nèi)核的低成本集成片上系統(tǒng)設(shè)備的進步。

其中許多設(shè)備主要基于手臂?皮層?-M架構(gòu)。隨著硬件的進步，嵌入式軟件在跟上新的連接協(xié)議、協(xié)議棧和框架方面發(fā)揮著重要作用。

然而，連接設(shè)備的激增給嵌入式軟件工程師帶來了挑戰(zhàn)，尤其是同時在多個設(shè)備和框架上工作的應(yīng)用和維護工程師。

了解新設(shè)備軟件、框架和協(xié)議棧的工作原理可能非常耗時，并且會限制工程師快速解決問題的能力。設(shè)計文檔和內(nèi)聯(lián)源代碼注釋可能會有所幫助，但它們可能不容易訪問，并且可能無法提供代碼工作原理的全貌。

在這些情況下，工程師依靠他們的獨創(chuàng)性、足智多謀和使用集成開發(fā)環(huán)境 （IDE） 進行源代碼瀏覽。雖然這在嘗試?yán)斫廛浖a流時有所幫助，但這是一個耗時且繁瑣的過程，并且有更好的方法。

在本文中，我將介紹一種使用現(xiàn)有工具鏈實用程序生成軟件的靜態(tài)函數(shù)調(diào)用層次結(jié)構(gòu)并更快更好地理解軟件流的新穎方法。

函數(shù)調(diào)用跟蹤的常見類型

可以使用函數(shù)調(diào)用跟蹤來了解代碼流或標(biāo)識 Bug。比較成功和失敗方案之間的程序流（通過函數(shù)調(diào)用跟蹤）可以幫助您快速識別有問題的代碼區(qū)域以進行進一步檢查。

函數(shù)調(diào)用跟蹤是對基于 IDE 的源代碼瀏覽的補充，以更好地了解整個軟件實現(xiàn)，并且可以分為兩個常見類別：

運行時函數(shù)調(diào)用跟蹤。這是一個侵入性過程，需要檢測源代碼。像GNU編譯器集合這樣的工具鏈提供了用于放置函數(shù)調(diào)用的檢測，這需要重新構(gòu)建代碼以重新生成新的二進制文件，但會導(dǎo)致額外的代碼大小和更長的執(zhí)行時間。對于缺少內(nèi)存的資源受限 IoT 設(shè)備，運行時函數(shù)調(diào)用跟蹤可能不是一個可行的選項。此外，您無法保證檢測的代碼的行為與未檢測的代碼相同。

靜態(tài)函數(shù)調(diào)用。對于基于只讀存儲器 （ROM） 的設(shè)備，檢測不是一個可行的選擇。雖然您可以簡單地使用IDE（如Eclipse或源洞察）瀏覽源代碼來了解軟件實現(xiàn)，但這是一個繁瑣的過程。一些IDE（通常是昂貴的商業(yè)版本）可以派生靜態(tài)函數(shù)調(diào)用圖。這些靜態(tài)函數(shù)調(diào)用瀏覽器的范圍通常有限，如果源代碼中存在條件編譯，則可能無法提供整個調(diào)用流的準(zhǔn)確圖像。

但是，可以從二進制可執(zhí)行文件和可鏈接格式 （ELF） 文件生成靜態(tài)調(diào)用流瀏覽器，該文件反映了實際的二進制代碼。

使用靜態(tài)呼叫流瀏覽器更快地修復(fù)軟件

讓我們使用設(shè)備的 ELF 二進制映像來生成函數(shù)調(diào)用引用詳細信息。如圖 1 所示，其思路是獲取 ELF 二進制文件，并將其傳遞給各種代碼生成工具，如 TI 的對象文件顯示（armofd）和反匯編器（armdis），以生成函數(shù)列表和調(diào)用引用數(shù)據(jù)庫。生成數(shù)據(jù)庫后，在簡單的樹瀏覽器中顯示調(diào)用層次結(jié)構(gòu)和流，以查看函數(shù)調(diào)用引用。這些靜態(tài)調(diào)用流程圖還可以通過將運行時 ROM 代碼消息日志疊加在靜態(tài)函數(shù)樹的頂部來幫助進行調(diào)試，這種組合將提供對運行時代碼流的深入了解并幫助您隔離問題。

圖1：ELF文件格式

二進制文件 （ELF） 分析

ELF 文件包含程序標(biāo)頭、節(jié)標(biāo)頭以及代碼和數(shù)據(jù)節(jié)。工具鏈提供了各種工具，用于以可讀的格式檢查和顯示 ELF 二進制文件內(nèi)容。在 TI，我們使用 armofd 和 armdis 等實用程序名稱來獲取功能詳細信息，并在 Arm 反匯編中完成程序編碼。

圖2：靜態(tài)函數(shù)分析的過程

解析引擎遍歷反匯編代碼，并通過帶有鏈接 （BL） 的分支和具有鏈接和交換 （BLX） 指令的分支檢查函數(shù)調(diào)用，查找每個函數(shù)的所有調(diào)用函數(shù)，并填充函數(shù)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫本身被安排為一個阿德爾森-維爾斯基和蘭迪斯自平衡搜索樹，用于快速搜索和瀏覽。

編譯器優(yōu)化可能會通過直接分支到被調(diào)用的函數(shù)來扭曲某些函數(shù)調(diào)用。這些函數(shù)沒有任何堆棧分配，因此解析引擎需要足夠智能才能檢測到這些編譯器優(yōu)化。

功能瀏覽器

一個名為 Java 框架 （JFrames） 的簡單圖形用戶界面 （GUI） 界面為函數(shù)調(diào)用瀏覽選擇感興趣的函數(shù)。選擇一個函數(shù)將顯示兩個幀，一個用于“被調(diào)用方/被調(diào)用函數(shù)”，另一個用于“從調(diào)用自”函數(shù)。這些幀顯示具有進一步節(jié)點擴展的分層樹結(jié)構(gòu)，如圖 3、4、5 和 6 所示。

瀏覽器界面

函數(shù)列表顯示所有可用函數(shù)，使您能夠選擇感興趣的函數(shù)來瀏覽引用。

圖3：功能列表顯示

可以在樹中進一步向下導(dǎo)航，以查看函數(shù)調(diào)用的可能性。

圖 4：調(diào)用的函數(shù)引用

圖 5：從引用調(diào)用

圖 6：函數(shù)列表 GUI

簡化軟件

通過使用此方法從二進制圖像派生靜態(tài)調(diào)用流程圖，您現(xiàn)在可以更好地了解軟件功能流，并補充源代碼瀏覽，從而更深入地了解軟件實現(xiàn)。最重要的是，這種方法可以加快流程，使故障排除軟件更簡單。

審核編輯：郭婷