Lab20: GNU Toolchain

預期目標

• 搭配第二周課程進度
• 學習 Linux 工具和 GNU Toolchain 的使用
• 學期 Automation 技巧
• 學習 ARM semihosting 的使用

QEMU + GDB操作

• 假設 Lab-19 所使用 QEMU 的目錄已放在 workspace 目錄

  cd workspace
  file qemu_stm32

• 取得 GDB Automation

  git clone git://github.com/embedded2013/gdb-automation.git
  git clone git@github.com:embedded2013/gdb-automation.git # 如果上一行失敗
  cd gdb-automation

• 開啟一個終端機，作以下輸入

    make qemudbg

• 開啟另一個終端機，準備透過 gdb 來追蹤程式。下列 (gdb) 開頭的指令表示在 GDB 內部操作
• 使用 Ubuntu 64-bit 版本時，需要另外安裝 lib32ncurses5

    sudo apt-get install lib32ncurses5

    cd gdb-automation
    arm-none-eabi-gdb
    (gdb) file main.elf 
    Reading symbols from gdb-automation/main.elf...done.
    (gdb) b main
    Breakpoint 1 at 0x2206: file main.c, line 8.
    (gdb) target remote :3333
    Remote debugging using :3333
    Reset_Handler ()
        at libraries/CMSIS/CM3/DeviceSupport/ST/STM32F10x/startup/gcc_ride7/startup_stm32f10x_md.s:67
    67	  movs	r1, #0
    (gdb) c
    Continuing.
    
    Breakpoint 1, main () at main.c:8
    8		RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
    (gdb) list
    3	
    4	int main(void)
    5	{
    6		int last_button_state, new_button_state;
    7	
    8		RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
    9		RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    10						
    11		/* Configure PC.12 as output push-pull (LED) */
    12		GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_12,Bit_SET);
    (gdb) b 23
    Breakpoint 2 at 0x2264: file main.c, line 23.
    (gdb) c
    Continuing.
    
    Breakpoint 2, main () at main.c:23
    23			new_button_state = GPIOA->IDR & 0x00000001;
    (gdb) n
    24			if(new_button_state ^ last_button_state) {
    (gdb) p new_button_state
    $1 = 0
    (gdb) info breakpoints 
    Num     Type           Disp Enb Address    What
    1       breakpoint     keep y   0x00002206 in main at main.c:8
    breakpoint already hit 1 time
    2       breakpoint     keep y   0x00002264 in main at main.c:23
    breakpoint already hit 1 time
    (gdb) del 2
    (gdb) watch GPIOC->ODR
    Hardware watchpoint 3: GPIOC->ODR
    (gdb) c
    Continuing.

• 在 QEMU monitor 內作以下輸入，試圖模擬按鈕的動作

    sendkey b

• 隨後可發現 GDB 畫面出現變化：

    Hardware watchpoint 3: GPIOC->ODR

    Old value = 4096
    New value = 0
    main () at main.c:29
    29			last_button_state = new_button_state;

• 事實上 GPIOC 是個 macro，可透過 GDB 驗證

    (gdb) info macro GPIOC
    Defined at libraries/CMSIS/CM3/DeviceSupport/ST/STM32F10x/stm32f10x.h:1410
      included at Lab-2/demo/main.c:2
    #define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)

GDB Automation

• 撰寫特別的 GDB script，使得 QEMU 能自動在 UART 畫面印出 “Hello!” 字樣。main.c 檔案的行數應該越少越好，處理動作最好全權交給 GDB
• 執行 make gdbauto 之後，能自動呼叫 QEMU 並藉由 UART 顯示 ‘Hello!’ 字串

參考作業 (A) 要求

• 原本的 GDB Automation 程式僅能將 “Hello!” 字樣輸出到 UART 裝置，是否能夠在 GDB session 中取得輸出的文字並比對？(自動測試需求)
  • 提示：可在 GDB 使用 set logging on
  • 提示：可修改 QEMU 執行參數
• 進一步縮短 gdb.in 的檔案長度

ARM Semihost

• 使用 ARM 所開發的目標系統 (target system)，不一定會提供所有的輸入/輸出設備。因此 ARM 設計了 semihost 這種機制，讓運行 ARM debugger 的主機可以與目標系統進行 I/O 溝通，以利產品開發
  • http://albert-oma.blogspot.tw/2012/04/semihosting.html
• Semihost 的實作是透過使用定義好的軟體中斷 (SVCs)，使程式在執行過程中產生中斷。一旦目標系統上的程式呼叫到對應的指令 (semihosting call)，便產生軟體中斷，接著 Debug Agent 就會負責處理此中斷，進行與主機的溝通
  • http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.dui0205g/Bgbjhiea.html
• FreeRTOS extensions: https://github.com/hugovincent/mbed-freertos
  • lib/semifs.c
  • mbed (mbed.org) target supports semihosted local filesystem, accessible via the mbed USB interface. Should also work with semihosting-compatible debuggers.
• QEMU ARM semihosting
  • http://balau82.wordpress.com/2010/11/04/qemu-arm-semihosting/

qemu-semihost 操作

• cd ~/workspace
• git clone git://github.com/embedded2013/qemu-semihost.git
• git clone git@github.com:embedded2013/qemu-semihost.git # 如果上一行失敗
• cd qemu-semihost
• ./test.sh

參考執行畫面:

參考作業 (B) 要求

• 從 rtenv 移植或參考其 pathserver, read, write 實作，使得 qemu-semihost 的 hello.c 得以從 Linux host 端讀取和寫入檔案
• 至少得讀取 host 端檔案，加入特定字串後，再寫回到 host 端

作業繳交方式

• 請更新作業提案到共筆網站: Lab 20 / 作業共筆
  • 需要標注自己的 ID，可參考 Lab 19 / 作業共筆 格式
• 請在 Oct 5, 2013 前，將符合作業提案的程式碼，提交到自行 fork 的 repository
  • https://github.com/embedded2013/gdb-automation
  • https://github.com/embedded2013/qemu-semihost

參考資訊

• debugger 和 software emulator
  • opencsl.openfoundry.org/Lab05_debugger.rst.html
  • http://www.cis.nctu.edu.tw/~is92004/article/gdb.htm
• GDB 筆記
  • http://loda.hala01.com/2012/04/gdb%E7%AD%86%E8%A8%98/
• 以 GDB 重新學習 C 語言程式設計
  • http://www.slideshare.net/jserv/clang-usinggdb
• GDB Manual
  • http://sourceware.org/gdb/current/onlinedocs/gdb/
  • Commands, Remote Debugging, Extending GDB