如何使用靜態(tài)呼叫流瀏覽器更快地對嵌入式設備軟件進行故障排除

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

其中許多設備主要基于Arm? Cortex-M?架構。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備和框架上工作的應用程序和維護工程師。

了解新設備軟件、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。設計文檔和內聯(lián)源代碼注釋可能會有所幫助，但它們可能不容易訪問，并且可能無法全面了解代碼的工作原理。

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） 的源代碼瀏覽。雖然這在嘗試理解軟件代碼流時有所幫助，但這是一個耗時且乏味的過程，并且有更好的方法。

在本文中，我將介紹一種使用現(xiàn)有工具鏈實用程序來生成軟件的靜態(tài)函數(shù)調用層次結構并更快更好地理解軟件流的新方法。

函數(shù)調用跟蹤的常見類型

可以使用函數(shù)調用跟蹤來了解代碼流或識別 bug。比較成功和失敗方案之間的程序流（通過函數(shù)調用跟蹤）可以幫助您快速識別代碼中存在問題的區(qū)域，以便進一步檢查。

函數(shù)調用跟蹤補充了基于 IDE 的源代碼瀏覽，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)調用跟蹤。這是一個侵入性的過程，需要檢測源代碼。像 GNU Compiler Collection 這樣的工具鏈提供了放置函數(shù)調用的檢測，這需要重建代碼來重新生成新的二進制文件，但會導致額外的代碼大小和更長的執(zhí)行時間。對于缺少內存的資源受限的 IoT 設備，運行時函數(shù)調用跟蹤可能不是一個可行的選擇。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)調用。對于基于只讀存儲器 （ROM） 的設備，檢測不是一個可行的選擇。盡管您可以簡單地使用 Eclipse 或 Source Insight 等 IDE 瀏覽源代碼以了解軟件實現(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)調用圖。這些靜態(tài)函數(shù)調用瀏覽器通常范圍有限，如果源代碼中有條件編譯，則可能無法提供整個調用流的準確圖片。

但是，可以從二進制可執(zhí)行和可鏈接格式 （ELF） 文件生成靜態(tài)調用流瀏覽器，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軟件

讓我們使用設備的 ELF 二進制映像來生成函數(shù)調用引用詳細信息。如圖 1 所示，其思路是獲取 ELF 二進制文件，并通過各種代碼生成工具（如 TI 的目標文件顯示 （armofd） 和拆裝器 （armdis） ）傳遞它，以生成函數(shù)列表和調用引用數(shù)據(jù)庫。生成數(shù)據(jù)庫后，在簡單的樹瀏覽器中顯示調用層次結構和流，以查看函數(shù)調用引用。這些靜態(tài)調用流圖還可以通過將運行時 ROM 代碼消息日志覆蓋在靜態(tài)函數(shù)樹的頂部來幫助調試 - 這種組合將提供對運行時代碼流的洞察并幫助您隔離問題。

圖 1：ELF 文件格式

二進制文件 （ELF） 分析

該ELF文件包含一個程序頭，節(jié)頭，以及代碼和數(shù)據(jù)節(jié)。工具鏈提供了各種工具來檢查和以可讀格式顯示 ELF 二進制文件內容。在 TI，我們使用 armofd 和 armdis 等實用程序名稱來獲取 Arm 反匯編中的功能詳細信息和完整的程序編碼。

圖2：靜態(tài)函數(shù)分析的過程

解析引擎遍歷反匯編代碼，并通過帶鏈接的分支 （BL） 和帶鏈接和交換的分支 （BLX） 指令檢查函數(shù)調用，查找每個函數(shù)的所有調用函數(shù)，并填充函數(shù)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫本身被安排為Adelson-Velsky和Landis自平衡搜索樹，以便快速搜索和瀏覽。

編譯器優(yōu)化可能會通過直接分支到被調用的函數(shù)來扭曲某些函數(shù)調用。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這些編譯器優(yōu)化。

函數(shù)瀏覽器

稱為 Java 幀 （JFrames） 的簡單圖形用戶界面 （GUI） 界面為函數(shù)調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“被調用方/被調用函數(shù)”，另一個用于“被調用自”函數(shù)。這些幀顯示具有進一步節(jié)點擴展的分層樹結構，如圖 3、4、5 和 6 所示。

瀏覽器圖形用戶界面

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)來瀏覽參考文獻。

圖 3：功能列表顯示

可以在樹中進一步向下導航以查看函數(shù)調用的可能性。

圖 4：調用的函數(shù)引用

圖 5：從引用調用

圖 6：功能列表 GUI

簡化軟件

通過使用此方法從二進制映像派生靜態(tài)調用流程圖，您現(xiàn)在可以更好地了解軟件功能流，并補充源代碼瀏覽，以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并使故障排除軟件更簡單。

審核編輯：郭婷