嵌入式系统的远程调试

     （华强电子世界网讯） 嵌入式设备无处不在，从家里到汽车，从办公室到遥远的装配工厂、甚至海上石油钻井平台。由于这些设备已渗透到世界每一个角落，远程维护和远程调试就变得十分重要。当然，在理想世界里，远程调试是不必要的。但在现实世界中，这还是必要的。
    
     典型的调试系统由一台主机PC、一个目标连接和被测试设备组成。大多数情况下，主机是运行微软视窗操作系统的PC，偶尔也会是运行Linux的系统。与被测设备的通信有几种方式，一般通过并行、串行或以太网连接来实现。许多制造商提供连接以利用被测目标的片上调试(OCD)功能。然后，OCD接口通过一个特定的管道与目标处理器相连。
    
     为了便于远程调试，一台设备在制造时必须考虑三点。第一，目标的OCD如何与外部相连?如果用于OCD通信的连接器处于系统深处，那么被测目标可能要在现场拆卸下来才能调试，或者只有以某种无法接受的方式才能对其进行修改。第二，OCD接口应该植入被测目标内还是放置在外部？如果在实验室，设计师利用主机的串行接口通过OCD接口与被测目标通信，那么最终产品是否要内置OCD接口，而只把串行端口留在外面？或者，OCD接口是否应与被测目标一起放置在远程位置？这里要考虑的因素不只是成本。如果被测目标处在恶劣的环境下，而且必须小心密封，那么问题就与被测目标处在工厂环境中的情况完全不同。第三，如何从主机到达OCD接口的问题也必须考虑。主机可能位于数英里外的地方，如果要将主机运抵现场，其尺寸和重量又是一个问题。即便是现代的笔记本电脑，要带着它在危地马拉的帐篷里进行调试也非易事。
    
     远程调试也包括不太极端的情况，如待在家里调试一个正在实验室中开发的新原型。在这种情况下，问题不是测试设备如何访问目标，而是工程师如何访问主机，或者主机如何访问测试设备。每种情况都有不同的处理方法。
    
     首先看一下最简单的情况，即工程师想待在家里调试位于实验室的系统。假设他的主机在物理上与测试设备相连，现在的问题是如何从他的家庭电脑控制主机。市面上有几款商业产品可以很容易做到这点。假设两个系统都可以访问互联网，那么我们有几种商业解决方案。通过利用基于Web的GoToMyPC简单地建立一个账户，任何人都可以从任何网络浏览器安全、方便地访问远程PC。因此，坐在家里，这位工程师也可以在本地计算机上看到其办公室电脑的工作桌面，就像本人在办公室一样有效地测试和调试目标。其它类似产品，如Symantec公司的pcAnywhere，也可以实现同样的功能，但安全性和客户端要求可能有所不同。这种情况要求所有的调试和维护软件都安装在实验室的系统上。
    
     仍然是针对远程目标，如果这位工程师想在本地做一些测试和调试工作，那么问题将变得更复杂。如果他还处于设计阶段，或者如果维护和调试涉及大量的编译或仿真，那么使用本地主机可能更容易处理。在这种情况下，我们必须指出如何通过调试接口连接到本地计算机。考虑到工具仍在实验室，我们只需要把主机与调试器的连接抽象化。这种连接可以是串行、并行、USB或以太网连接。我们将考虑以太网连接，因为它已经非常普遍。
    
     在本地测试环境下，我们经常利用企业内部互联网(内联网)，它连接了许多PC和一些测试设备，并具有一个连接到互联网的网关。在内联网的元素中，办公室的每台PC和测试设备都有一个本地的IP地址，一般从外部无法看到它们。这提供了安全保障，而且是必须采取的措施，因为没有足够的外部IP地址可以分配给每个办公室的每台设备。网关设备通常是一个路由器，它是网络的门户，往往具有一个外部能看到的IP地址。为了执行远程调试或维护，外部世界的客户端需要访问内部的设备。路由器有一个简单的方法来处理这项任务。网络地址转换(NAT)功能是通过路由器的查找表来实现的。其原理非常简单：TCP/IP(内联网和互联网所用的典型通信协议)通信采用双地址方案。地址的一部分是IP地址，而另一部分是端口号。在本例中，路由器的IP地址通过互联网暴露给外部世界。任何人从任何地方都可直接与其通信。当路由器接收到一个带有地址的信息数据包时，它将查看目标端口号，然后，将这个端口号与路由器NAT表中的端口号进行比较。如果有匹配的结果，该表将包含目标通信设备的内部IP地址。然后，数据包被发送到正确的内部设备，在本例中是基于以太网的OCD接口。这种情况几乎没有任何安全性可言，因为任何人只要知道路由器IP地址及调试器的端口号，就可以访问该系统。这一问题的严重性取决于很多因素，将不在本文予以讨论。
    
     如果需要更高的安全性，可采用其它办法将主机与远程调试器相连。虚拟专用网(VPN)可以让远程系统(办公室、个人及调试器)利用互联网安全地访问主机网络。VPN不是采用专用电话线路或其它安全通信方式，而是利用密码访问、加密数据和隧道协议等安全手段来实现的。这位工程师不必关心VPN是如何工作的，只要在家庭计算机上安装客户端软件，并请IT部门设置在办公室或实验室里的服务器即可。一旦通过互联网建立连接并通过验证，该工程师就可以像坐在办公室里一样工作了。所有数据传输都是加密的，但更重要的是，他被认为是一个合法用户，可以访问OCD设备及其被测目标，甚至内联网的更多内容。
    
     有助于简化远程调试的工具之一是Macraigor系统公司的mpDemon。该工具可通过串行或并行连接与本地主机相连，或者通过以太网远程连接主机。它带有一个可配置IP地址及端口，并支持多种通信协议，可以为各种远程调试情况提供灵活的解决方案。
    
     下一步是在一个真正的环境中进行远程调试和维护。过去几年，该技术已经将触角延伸到日常设备，如售货机。最新的售货机在需要补充货品时能够自动联系分销商。这一般可利用嵌入式处理器通过调制解调器和电话线来实现。这种应用并不局限于本地库存报告，因为机器还可以通过同样的通信渠道升级其固件和执行其它维护。银行ATM取款机等其它嵌入式系统正变得更智能，它们可以通过电话线或以太网与主机系统相连，从而扩展远程调试、维护和升级能力。
    
     更进一步，许多嵌入式系统被用于偏远的地方，如石油钻井平台等。这些设备虽然处于远程位置但并非是“技术不可触及”的地方，例如在现代化的石油钻井平台，互联网连接仍是可行的。通过在设备中嵌入互联网－OCD调试连接，远程维护和升级仍是可行的。卫星通信可以让最偏远的地区实现上网。在这种情况下，安全问题变得更重要。通信通道本身相当复杂，而且可能涉及多种技术，因此可能会出现多点故障或遭受攻击。工程是可以通过以下路径进行远程调试：主机通过电话线连接到公司服务器，再连接到T1高速连接，再连到互联网，再通到卫星，直到远程接收器，然后通过某种方式连接到被测目标。目标设备本身可能运行一个简单的VPN，还带有纠错通信代码。
    
     这些设备的物理设计也很重要，不但要考虑设备所处的环境，还要考虑服务是怎么执行的。一些远程调试或维护可能意味着派个技术员去现场升级固件，但设计不应要求完全拆卸设备才能访问其内部的嵌入式EPROM。