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嵌入式設(shè)備無(wú)處不在,從家里到汽車,從辦公室到遙遠(yuǎn)的裝配工廠、甚至海上石油鉆井平臺(tái)。由于這些設(shè)備已滲透到世界每一個(gè)角落,遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程調(diào)試就變得十分重要。當(dāng)然,在理想世界里,遠(yuǎn)程調(diào)試是不必要的。但在現(xiàn)實(shí)世界中,這還是必要的。
典型的調(diào)試系統(tǒng)由一臺(tái)主機(jī)PC、一個(gè)目標(biāo)連接和被測(cè)試設(shè)備組成。大多數(shù)情況下,主機(jī)是運(yùn)行微軟視窗操作系統(tǒng)的PC,偶爾也會(huì)是運(yùn)行Linux的系統(tǒng)。與被測(cè)設(shè)備的通信有幾種方式,一般通過(guò)并行、串行或以太網(wǎng)連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。許多制造商提供連接以利用被測(cè)目標(biāo)的片上調(diào)試(OCD)功能。然后,OCD接口通過(guò)一個(gè)特定的管道與目標(biāo)處理器相連。
為了便于遠(yuǎn)程調(diào)試,一臺(tái)設(shè)備在制造時(shí)必須考慮三點(diǎn)。第一,目標(biāo)的OCD如何與外部相連?如果用于OCD通信的連接器處于系統(tǒng)深處,那么被測(cè)目標(biāo)可能要在現(xiàn)場(chǎng)拆卸下來(lái)才能調(diào)試,或者只有以某種無(wú)法接受的方式才能對(duì)其進(jìn)行修改。第二,OCD接口應(yīng)該植入被測(cè)目標(biāo)內(nèi)還是放置在外部？如果在實(shí)驗(yàn)室,設(shè)計(jì)師利用主機(jī)的串行接口通過(guò)OCD接口與被測(cè)目標(biāo)通信,那么最終產(chǎn)品是否要內(nèi)置OCD接口,而只把串行端口留在外面？或者,OCD接口是否應(yīng)與被測(cè)目標(biāo)一起放置在遠(yuǎn)程位置？這里要考慮的因素不只是成本。如果被測(cè)目標(biāo)處在惡劣的環(huán)境下,而且必須小心密封,那么問(wèn)題就與被測(cè)目標(biāo)處在工廠環(huán)境中的情況完全不同。第三,如何從主機(jī)到達(dá)OCD接口的問(wèn)題也必須考慮。主機(jī)可能位于數(shù)英里外的地方,如果要將主機(jī)運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng),其尺寸和重量又是一個(gè)問(wèn)題。即便是現(xiàn)代的筆記本電腦,要帶著它在危地馬拉的帳篷里進(jìn)行調(diào)試也非易事。
遠(yuǎn)程調(diào)試也包括不太極端的情況,如待在家里調(diào)試一個(gè)正在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)發(fā)的新原型。在這種情況下,問(wèn)題不是測(cè)試設(shè)備如何訪問(wèn)目標(biāo),而是工程師如何訪問(wèn)主機(jī),或者主機(jī)如何訪問(wèn)測(cè)試設(shè)備。每種情況都有不同的處理方法。
首先看一下最簡(jiǎn)單的情況,即工程師想待在家里調(diào)試位于實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)。假設(shè)他的主機(jī)在物理上與測(cè)試設(shè)備相連,現(xiàn)在的問(wèn)題是如何從他的家庭電腦控制主機(jī)。市面上有幾款商業(yè)產(chǎn)品可以很容易做到這點(diǎn)。假設(shè)兩個(gè)系統(tǒng)都可以訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng),那么我們有幾種商業(yè)解決方案。通過(guò)利用基于Web的GoToMyPC簡(jiǎn)單地建立一個(gè)賬戶,任何人都可以從任何網(wǎng)絡(luò)瀏覽器安全、方便地訪問(wèn)遠(yuǎn)程PC。因此,坐在家里,這位工程師也可以在本地計(jì)算機(jī)上看到其辦公室電腦的工作桌面,就像本人在辦公室一樣有效地測(cè)試和調(diào)試目標(biāo)。其它類似產(chǎn)品,如Symantec公司的pcAnywhere,也可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能,但安全性和客戶端要求可能有所不同。這種情況要求所有的調(diào)試和維護(hù)軟件都安裝在實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)上。
仍然是針對(duì)遠(yuǎn)程目標(biāo),如果這位工程師想在本地做一些測(cè)試和調(diào)試工作,那么問(wèn)題將變得更復(fù)雜。如果他還處于設(shè)計(jì)階段,或者如果維護(hù)和調(diào)試涉及大量的編譯或仿真,那么使用本地主機(jī)可能更容易處理。在這種情況下,我們必須指出如何通過(guò)調(diào)試接口連接到本地計(jì)算機(jī)。考慮到工具仍在實(shí)驗(yàn)室,我們只需要把主機(jī)與調(diào)試器的連接抽象化。這種連接可以是串行、并行、USB或以太網(wǎng)連接。我們將考慮以太網(wǎng)連接,因?yàn)樗呀?jīng)非常普遍。
在本地測(cè)試環(huán)境下,我們經(jīng)常利用企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)(內(nèi)聯(lián)網(wǎng)),它連接了許多PC和一些測(cè)試設(shè)備,并具有一個(gè)連接到互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。在內(nèi)聯(lián)網(wǎng)的元素中,辦公室的每臺(tái)PC和測(cè)試設(shè)備都有一個(gè)本地的IP地址,一般從外部無(wú)法看到它們。這提供了安全保障,而且是必須采取的措施,因?yàn)闆](méi)有足夠的外部IP地址可以分配給每個(gè)辦公室的每臺(tái)設(shè)備。網(wǎng)關(guān)設(shè)備通常是一個(gè)路由器,它是網(wǎng)絡(luò)的門戶,往往具有一個(gè)外部能看到的IP地址。為了執(zhí)行遠(yuǎn)程調(diào)試或維護(hù),外部世界的客戶端需要訪問(wèn)內(nèi)部的設(shè)備。路由器有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法來(lái)處理這項(xiàng)任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)功能是通過(guò)路由器的查找表來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其原理非常簡(jiǎn)單:TCP/IP(內(nèi)聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)所用的典型通信協(xié)議)通信采用雙地址方案。地址的一部分是IP地址,而另一部分是端口號(hào)。在本例中,路由器的IP地址通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)暴露給外部世界。任何人從任何地方都可直接與其通信。當(dāng)路由器接收到一個(gè)帶有地址的信息數(shù)據(jù)包時(shí),它將查看目標(biāo)端口號(hào),然后,將這個(gè)端口號(hào)與路由器NAT表中的端口號(hào)進(jìn)行比較。如果有匹配的結(jié)果,該表將包含目標(biāo)通信設(shè)備的內(nèi)部IP地址。然后,數(shù)據(jù)包被發(fā)送到正確的內(nèi)部設(shè)備,在本例中是基于以太網(wǎng)的OCD接口。這種情況幾乎沒(méi)有任何安全性可言,因?yàn)槿魏稳酥灰缆酚善鱅P地址及調(diào)試器的端口號(hào),就可以訪問(wèn)該系統(tǒng)。這一問(wèn)題的嚴(yán)重性取決于很多因素,將不在本文予以討論。
如果需要更高的安全性,可采用其它辦法將主機(jī)與遠(yuǎn)程調(diào)試器相連。虛擬專用網(wǎng)(VPN)可以讓遠(yuǎn)程系統(tǒng)(辦公室、個(gè)人及調(diào)試器)利用互聯(lián)網(wǎng)安全地訪問(wèn)主機(jī)網(wǎng)絡(luò)。VPN不是采用專用電話線路或其它安全通信方式,而是利用密碼訪問(wèn)、加密數(shù)據(jù)和隧道協(xié)議等安全手段來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這位工程師不必關(guān)心VPN是如何工作的,只要在家庭計(jì)算機(jī)上安裝客戶端軟件,并請(qǐng)IT部門設(shè)置在辦公室或?qū)嶒?yàn)室里的服務(wù)器即可。一旦通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)建立連接并通過(guò)驗(yàn)證,該工程師就可以像坐在辦公室里一樣工作了。所有數(shù)據(jù)傳輸都是加密的,但更重要的是,他被認(rèn)為是一個(gè)合法用戶,可以訪問(wèn)OCD設(shè)備及其被測(cè)目標(biāo),甚至內(nèi)聯(lián)網(wǎng)的更多內(nèi)容。
有助于簡(jiǎn)化遠(yuǎn)程調(diào)試的工具之一是Macraigor系統(tǒng)公司的mpDemon。該工具可通過(guò)串行或并行連接與本地主機(jī)相連,或者通過(guò)以太網(wǎng)遠(yuǎn)程連接主機(jī)。它帶有一個(gè)可配置IP地址及端口,并支持多種通信協(xié)議,可以為各種遠(yuǎn)程調(diào)試情況提供靈活的解決方案。
下一步是在一個(gè)真正的環(huán)境中進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試和維護(hù)。過(guò)去幾年,該技術(shù)已經(jīng)將觸角延伸到日常設(shè)備,如售貨機(jī)。最新的售貨機(jī)在需要補(bǔ)充貨品時(shí)能夠自動(dòng)聯(lián)系分銷商。這一般可利用嵌入式處理器通過(guò)調(diào)制解調(diào)器和電話線來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種應(yīng)用并不局限于本地庫(kù)存報(bào)告,因?yàn)闄C(jī)器還可以通過(guò)同樣的通信渠道升級(jí)其固件和執(zhí)行其它維護(hù)。銀行ATM取款機(jī)等其它嵌入式系統(tǒng)正變得更智能,它們可以通過(guò)電話線或以太網(wǎng)與主機(jī)系統(tǒng)相連,從而擴(kuò)展遠(yuǎn)程調(diào)試、維護(hù)和升級(jí)能力。
更進(jìn)一步,許多嵌入式系統(tǒng)被用于偏遠(yuǎn)的地方,如石油鉆井平臺(tái)等。這些設(shè)備雖然處于遠(yuǎn)程位置但并非是“技術(shù)不可觸及”的地方,例如在現(xiàn)代化的石油鉆井平臺(tái),互聯(lián)網(wǎng)連接仍是可行的。通過(guò)在設(shè)備中嵌入互聯(lián)網(wǎng)-OCD調(diào)試連接,遠(yuǎn)程維護(hù)和升級(jí)仍是可行的。衛(wèi)星通信可以讓最偏遠(yuǎn)的地區(qū)實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)。在這種情況下,安全問(wèn)題變得更重要。通信通道本身相當(dāng)復(fù)雜,而且可能涉及多種技術(shù),因此可能會(huì)出現(xiàn)多點(diǎn)故障或遭受攻擊。工程是可以通過(guò)以下路徑進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試:主機(jī)通過(guò)電話線連接到公司服務(wù)器,再連接到T1高速連接,再連到互聯(lián)網(wǎng),再通到衛(wèi)星,直到遠(yuǎn)程接收器,然后通過(guò)某種方式連接到被測(cè)目標(biāo)。目標(biāo)設(shè)備本身可能運(yùn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的VPN,還帶有糾錯(cuò)通信代碼。
這些設(shè)備的物理設(shè)計(jì)也很重要,不但要考慮設(shè)備所處的環(huán)境,還要考慮服務(wù)是怎么執(zhí)行的。一些遠(yuǎn)程調(diào)試或維護(hù)可能意味著派個(gè)技術(shù)員去現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)固件,但設(shè)計(jì)不應(yīng)要求完全拆卸設(shè)備才能訪問(wèn)其內(nèi)部的嵌入式EPROM。
Craig Haller為嵌入式調(diào)試市場(chǎng)提供工具及咨詢服務(wù)已有15年的歷史。Macraigor系統(tǒng)公司為一系列處理器提供JTAG和BDM接口和工具。
作者:Craig Haller
Macraigor系統(tǒng)公司
