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基于GCC的嵌入式程序插装技术

作者:沈永清 徐中伟2008.01.24阅读 3587

引 言
       程序插装(Program Instrumentation)概念最先是由J.G.Huang教授提出,是借助往被测程序中插入操作(称为“探针”),以便获取程序的控制流和数据流信息,从而实现测试目的的方法。在软件动态测试中,程序插装是一种基本的测试手段,应用广泛,是覆盖率测试、软件故障注入和动态性能分析的基础技术。

       GCC(GNU ComPIler Collection)是一个高度优化,高度可移植,广泛使用的编译系统。它能处理多种语言,包括C/C++、Fortran、Java和Pascal等多种语言前端,而且后端支持几乎所有的处理器结构。GCC作为源码开放的软件,人们可以自由修改和使用;加入插装模块后控制工程网版权所有,在GCC所支持的语言中都可插入相应的测试代码(这里只介绍C语言的插装模块)。本文将详细叙述如何修改GCC,使其在编译每个C函数时,分别将各个形式参数连同该函数名传递给一个指定函数。该指定函数的返回值赋予原来的形式参数,从而可以人为控制被插装函数的每

个参数实际值,进而完成各种规则下的测试。


1 GCC编译流程分析
       编译器的工作是将源代码(通常使用高级语言编写)翻译成目标代码(通常是低级的目标代码或者机器语言)。在现代编译器的实现中控制工程网版权所有,这个工作一般是分为两个阶段来实现的:

       第一阶段,编译器的前端接收输入的源代码,经过词法、语法和语义分析等得到源程序的某种中间表示方式。
       第二阶段,编译器的后端将前端处理生成的中间表示方式进行一些优化,并最终生成在目标机器上可运行的代码。

       GCC编译器以一个函数为单位对经过预处理的输入源文件进行编译处理。根据GNU Bison(一个类似YACC但功能更强大的文法分析工具)生成的语法分析程序,前端完成语法、语义分析,建立语法树控制工程网版权所有,并转换成中间代码。GCC内部使用了一种能对实际的体系结构做一种抽象的控制工程网版权所有,与硬件平台无关的语言,这个中间语言就是RTL(Register Ttansfer Language)。通过修改源程序的RTL,可以改变、删除源程序,包括插入所需要的代码,由GCC后端处理并最终输出对应硬件平台的汇编码,源程序无需手工修改便可实现插装功能。

       GCC的入口点main函数在文件main.c中。此函数非常简单,只有一条直接调用toplev_main函数的语句。toplev_main函数是在toplev.c文件中定义的控制工程网版权所有,以下我们只关心与编译有关的源码,其他的暂时忽略。toplev_main中最重要的是调用了do_complile函数,这个函数从名字看就是做编译工作的;而在此之后,toplev_main函数就返回了。dD_compile函数也是在tokv.c中定义的,其中真正进行编译工作的是调用compilte_file函数。compik_file函数最终调用了一个钩子函数来分析(parse)整个输入文件:

        (*lang_hooks.parse_file)(set_yydebug);
        这里的lang_hooks是一个全局变量,不同语言的前端对此赋以不同的值。对C语言来说,这条语句相当于调用了c-opts.c中的c_common_parse_file函数。c_com-mon_parse_file中调用了c-parse.c中的c_parse_file函数;在此函数中又调用了同文件中的yyparse函数,该函数负责解析C语言源文件,并转化为特殊的语法树结构。该函数是GNU bison将YACC转变为C语言而自动生成的,所以这段代码阅读起来比较困难,但我们并不关心语法分析的细节。在完成函数体的分析后,利用已经建立的tree结构生成RTL,优化后最终输出汇编码;自此C函数的编译就算结束了,这些是由yyparse调用finish_function函数完成的。finish_function函数中最重要的函数是tree_rest_of_compilation(定义在tree_optimize.c中),它是真正实现上述功能的函数。为了说明它所做的具体事情,我们将该函

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