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基于Eclipse的开发环境中调试器设计与实现

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摘要：调试功能是软件集成开发环境中最重要也是最复杂的功能之一，调试功能的完善与否很大程度上决定了一个集成开发环境的优劣。作为一个大型软件集成开发环境的一部分，为了实现其调试功能，这里通过简要分析Eclipse CDT的调试机制，设计并实现了一个应用于基于Eclipse CDT的嵌入式开发环境的调试器，其中实现了一系列调试功能如断点设置、单步执行、源代码搜索以及变量、内存和寄存器查看等，为整个集成开发环境的实现打下了基础。
关键词：Eclipse；CDT集成开发环境；调试功能；调试器

O 引言
    在软件开发过程中，程序出现错误在所难免。无论是普通软件还是嵌入式软件，调试器都是开发过程中不可缺少的工具。
    “调试器”是用于跟踪程序执行情况，快速有效地定位错误产生的位置，从而找到引起错误的原因，并将其消除的工具。调试功能是开发环境中最重要、也是最复杂的功能之一，其好坏在很大程度上决定了一个开发环境的优劣。调试是一个从错误现象出发，通过某种手段寻找错误代码的过程。调试的基本原理是在发现程序运行的错误后，设法再现程序的执行过程，并获取程序执行中的有关信息，通过对这些信息的分析，逐步找到引起错误的原因。循环调试是最基本的调试模型；循环调试的意思是反复运行程序，利用打印输出、断点、单步等技术，观察程序状态，控制程序运行，逐渐逼近错误代码；循环调试的前提是程序运行是确定的，即对同样的输入，程序的执行过程是相同的。串行程序具有确定性。
    调试的基本行为有观察、控制与修改。观察是对程序的执行状态进行察看，包括处理机状态、进程状态和数据状态等；控制即控制程序的执行过程，例如设断点、单步执行等；修改就是改变程序的运行状态，如修改变量的值、修改指令计数器、修改状态寄存器等。调试器在不同程度上支持这3种行为的综合使用。
    经典的调试手段有断点(Break Pointing)、跟踪(Tracing)、断言(Assertion)、分析(Analysis)、打印输出等。在源程序级支持图形化的用户界面使得调试工作更加容易进行。对于实时程序或专用机上的程序还常采用模拟手段进行调试。

1 CDT的调试机制解析
CDT提供了4个插件用于实现调试功能。这几个插件对于GDB调试器进行操作，并且应用GDB提供的MI接口进行通信。这四个插件分别为org．eclipse．cdt.debug．mi.cote插件，用以实现GDB的MI接口功能及GDB调用功能；org.eclipse.cdt.debug.mi.ui插件，主要用于实现GDB的相关设置选项界面；org．eclipse.cdt.debug.core插件，用于实现CDT的调试模型，包括用串口调试，用网卡调试，设置波特率等功能；org.eclipse.cdt.debug.ui插件，用于实现界面显示功能，包括调试视图，调试动作等，比如单步调试，设置断点，下载，运行程序等调试功能。它们之间的关系如图1所示。

标准的调试模型并不能代表所有的体系结构，像嵌入式硬件结构是不同的，有可能是多个处理器的不同应用，也可能包括DSP处理器的应用。CDT平台支持将非标准的调试器集成到平台的视图和动作中。调试器围绕着活动调试上下文进行操作，活动调试上下文是在调试视图中选择的一帧或者一个线程，这个上下文驱动了源代码搜索，变量和寄存器显示，以及动作使能等操作。它们之间的关系如图2所示。

2 调试器的详细设计
2．1 断点设置
调试器提供的断点依赖于调试系统所具有的能力，以及应用这些能力可以构建的集合功能。例如，用行断点实现运行到行，实现条件断点等。
断点属性保存在标记中，平台提供接口IMarker，作为文件中的一般目的标记。标记是原始数据类型键值对的存储。平台提供接口IBreakpoint实现断点行为。为了实现复杂的断点行为，调试器需要提供IBreakpoint的实现。所有的断点都有一个相关的标记保存属性和在编辑器中显示，提供和断点类型相关的标记扩展点。如果需要断点被保存，需要指定persistent为true。其内容如下：

[p]
    断点管理器(IBreakpoint Manager)是在工作空间中的断点集合。当断点创建时，会在管理器中注册。当断点被删除，它也会在管理器中移除，当断点添加，移除，以及断点属性改变时，提供更改通知。客户端需要实现IBreakpointsListener以及在断点管理器中注册。例如：调试目标侦听更改通知，因此当它们改变时，可以安装、移除、更新断点信息。客户端也需要实现IBreak-pointManaagerListener，以便实现当断点管理器被使能或禁止时的通知侦听，也可以允许所有的断点被暂时禁止，而不用改变单个断点的状态。
    当建立了调试目标之后，应该搜索断点管理器，查找存在的断点，并安装这些断点。调试目标应该在其生命周期中侦听断点的添加、移除、改变等信息，并且能够更新这些信息。
    在编辑器中显示了断点和观察点的位置。编辑器在竖直条中显示标记，当标记改变时更新。继承AbstractDecoratedTextEditor的编辑器会有一个竖直标记条，用于显示和正在编辑的文件有关的标记。在竖直标记条中双击，可能会产生多于一种的操作，可以设置行断点或者设置观察点。在编辑器竖直标记条中添加双击动作，可以应用工作台扩展点来添加编辑器操作。参考AbstractRulerActionDelegate给期望的工作添加操作，可通过扩展点editorActions予以添加。断点的模型如图3所示。

2．2 命令处理
    命令处理包括单步进入、单步跳过、返回、悬挂、恢复、下载、运行、继续运行、终止等。平台提供标准模式的命令处理的实现。
    所有的命令处理需要实现接口IDeblugCom-mandHandler，并且实现如下函数：
    canExecute(IEnabledStateRequest request)
    execute(IDebugCommandRequest request)
    标准模式可以重载平台的实现，定制模式需要自己提供一个实现，包括提供作为适配器的处理类，可以直接实现处理接口。
    平台所定义的处理者进程为如下几个：
    IDisconnectHandler
    IDroDToFrameHandler
    IResumeHandler
    IStepFiltersHandler
    IStepIntoHandler
    IStepOvetHandler
    IStepReturnHandler
    ISuspendHandler
    ITerminateHandler
    处理者和命令处理之间的交互是异步的。需要先更新使能状态，然后开始执行。传递到命令处理的是一个IRequest对象，实现接收状态，允许取消，当请求结束时通知等功能。
    命令执行的过程如图4所示。

    平台提供的命令处理应用JOB来实现异步交互。命令处理为每一个请求和返回维护一个JOB的进度表，并且JOB是异步运行的。
2．3 视图内容
    利用平台提供的tree视图的实现变量、寄存器的查看，并用内容提供者和标签提供者来支持定制异步内容。这个tree视图的实现基于JFace的tree视图，并实现了接口ILazyTreePathContentProvider。这个视图不能被继承，但是可以被初始化。
    一些调试视图定义了很多列。像变量视图，寄存器视图，都分别有名字列，值列等。调试模型提供要显示的列，以及元编辑器对某一个值进行编辑，还为每一个列提供标签。视图、列、元编辑器之间的关系如图5所示。列表述定义了要显示的列，包括列头、列图像、列标识。允许提供多个列，在初始化时显示其中的几列，用户可以选择显示哪些列。

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    元编辑器允许用户在线编辑。为每一个元素和列提供元编辑器，应用JFace的CellEditor进行编辑，提供了对文本选择框、组合框的标准编辑。为每一个元素提供元修改器，决定哪一个列可以被修改，在修改之后更新相应的值，可以用实现接口IcellModifier来达到目标。
2．4 内存视图
    内存视图显示一段内存中的内容。内存显示由内存块、内存块内容重新获取、内存块管理器、内存块描述类型、内存块描述、内存块描述绑定、内存块描述管理器等几部分组成。
    读取并显示内存块的过程如下：用户启动内存查看命令，从当前调试上下文中，平台获取适配器IMetm-ryBlockRetrieval，平台为内存块请求内存块描述适配器，内存块添加到内存块管理器中，平台查找内存描述类型列表，找到和内存块符合的内存描述，然后创建它，将内存描述添加到内存视图中。
    用扩展点<memoryRenderings>来扩展内存描述类型。描述类型包含描述名字，描述惟一的标识符这两个信息。实现接口IMemoryRenderingTypeDelegate中的函数为：

需要在描述之间提供同步机制来使得用户不用手工进行同步。在此提供同步服务器，以解决当前显示描述之间的同步问题。当某一个描述内容改变后，会发送一个描述改变的事件，同步服务器接收到这个事件，同步服务器通知对这个事件感兴趣的描述，然后其他描述接收这个事件并进行响应，其过程如图6所示。