對基于SoC系統(tǒng)設(shè)計的探查

調(diào)試復(fù)雜電子系統(tǒng)從來都不是一項簡單的工作，但至少是可以實現(xiàn)的。您要找到問題所在。采用您最相信的“示波器”，通過模擬電路到數(shù)字轉(zhuǎn)換，您可以追溯到問題的源頭。然后，編寫測試小程序，檢查驅(qū)動和外設(shè)，增加一些邏輯探針，再回到外設(shè)控制器和CPU總線上，最終解決問題。當(dāng)然，這需要利用別人的一些代碼。

而芯片系統(tǒng)(SoC)集成從根本上改變了這一切。今天，微處理器、總線、外設(shè)控制器以及大部分存儲器和模擬電路都被包封在一個封裝中。它可以是ASSP、高級微控制器、FPGA，或者您自己設(shè)計的ASIC。不論SoC是什么，事實上是，除非芯片設(shè)計團隊愿意幫助您，否則，您不可能深入了解芯片內(nèi)部。

在嵌入式CPU中調(diào)試硬件，為您提供斷點和準(zhǔn)實時跟蹤等傳統(tǒng)調(diào)試功能，從而幫助您完成調(diào)試工作。但是，對于他們自己，調(diào)試內(nèi)核也只是給出了您系統(tǒng)的CPU外觀視圖。如果不能針對系統(tǒng)總體狀態(tài)來更廣泛的定義某一事件，那么，當(dāng)事件發(fā)生后，您可能需要編寫診斷短代碼，使系統(tǒng)暫時停止工作，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫回CPU。這一過程最好的情況是僅僅耗費了您的時間，而最差的情況是，耗費了時間卻不一定能解決問題，效率非常低。

硅片知識產(chǎn)權(quán)(IP)供應(yīng)商提供越來越精細(xì)的SoC儀表調(diào)試手段，從而解決了這一難題。但是，當(dāng)今的產(chǎn)品是個性化的，而不是標(biāo)準(zhǔn)化的。系統(tǒng)設(shè)計人員需要在芯片設(shè)計早期階段獨立作出選擇，而另一公司的其他團隊則根據(jù)產(chǎn)品能否及時面市、管芯面積等來確定自己的目標(biāo)，并不關(guān)心能否方便的進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。而芯片設(shè)計人員、軟件開發(fā)人員和系統(tǒng)設(shè)計人員等參與者還是有一個共同點——互相協(xié)作，在系統(tǒng)級找到問題所在。

從一開始就做好規(guī)劃

實際上早已決定了您是否能夠成功的找到系統(tǒng)中的問題——兩年前，在您目前正在使用的SoC的開發(fā)階段。Brad Quinton是泰克公司嵌入式驗證的首席規(guī)劃師，他認(rèn)為在芯片設(shè)計早期階段進(jìn)行規(guī)劃非常關(guān)鍵，不僅僅是能夠充分探查芯片，而且還涉及到采用什么樣的調(diào)試硬件。然而，這并不常見。

芯片設(shè)計團隊的確在測試結(jié)構(gòu)中開展了前端工作，但卻是出于其他原因。芯片中置入了測試設(shè)計和內(nèi)置自測試硬件來支持IC測試。但是，這些資源并不是用于調(diào)試，一般只提供很少的診斷信息。芯片設(shè)計人員會專門針對硅片開發(fā)團隊而內(nèi)置工具，但是，這些工具可能只有內(nèi)部文檔，硅片一旦發(fā)布后，就會禁用這些工具。高速串行端口上會有邊界掃描，甚至是非常復(fù)雜的儀表功能，必須在系統(tǒng)中對其進(jìn)行調(diào)整。但是，這些手段是為了在電路板級建立并驗證連接能力，而不是用于系統(tǒng)調(diào)試。

Quinton質(zhì)疑，雖然這些結(jié)構(gòu)非常有用，但是芯片設(shè)計人員會有更多的問題。Quinton認(rèn)為，“從系統(tǒng)級進(jìn)行考慮。關(guān)鍵接口、高級狀態(tài)機在哪里?通過掌握哪些信息您能夠知道哪一子系統(tǒng)正在工作?”

這些思考導(dǎo)致某些IP供應(yīng)商開發(fā)了一類新模塊：在SoC中設(shè)計實現(xiàn)儀表和控制器，不僅供設(shè)計芯片的IC團隊使用，而且還有使用它的系統(tǒng)設(shè)計團隊，如圖1所示。

圖1.片內(nèi)調(diào)試電路本身會成為實際的設(shè)計。

從不同的方向開始工作，兩類供應(yīng)商驗證了這一發(fā)展趨勢。ARM擴展了其CPU內(nèi)核調(diào)試內(nèi)核CoreSight，涵蓋了多核SoC的大部分工作，而現(xiàn)在是泰克一部分的Quinton Veridae從儀表模塊開始，集中開發(fā)觸發(fā)器/蹤跡控制器，包括了CPU調(diào)試內(nèi)核。這兩種方法對于系統(tǒng)調(diào)試人員都非常寶貴。這都為在SoC基礎(chǔ)上擴展可探查性提供了重要的理念。

數(shù)據(jù)源

雖然您想立即開始在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中加入各種各樣的數(shù)據(jù)采集節(jié)點，而Quinton首先提出了一些基本問題。誰會使用調(diào)試功能：應(yīng)用編程人員、模擬設(shè)計人員，還是機械工程師?他們會在哪一抽象等級上來定義事件;功能調(diào)用、信噪比、扭矩讀數(shù)?這些用戶會怎樣做：確定他們的代碼熱點、找到瞬變噪聲，或者知道驅(qū)動桿為什么失效?只有您理解了問題所在，才能夠找到解決問題的數(shù)據(jù)。

Quinton認(rèn)為，現(xiàn)在的技巧是確定在哪里收集數(shù)據(jù)。很明顯，首先是在源頭采集所有數(shù)據(jù)：A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)輸出、狀態(tài)寄存器、網(wǎng)絡(luò)接口等。當(dāng)然，您希望盡可能獲得接近源頭的一些信息，例如，受控物理器件的狀態(tài)等。

但是，在其他情況下，事先考慮好在哪里采集數(shù)據(jù)可以減少測量開銷，以及后分析所需要的數(shù)據(jù)量。Quinton建議，“找到關(guān)鍵地方來觀察系統(tǒng)。在一點上所通過的系統(tǒng)狀態(tài)量會讓人感到驚訝：例如，CPU與系統(tǒng)總線的接口。”

在哪里對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣也取決于用戶所希望的抽象級。例如，可能是通過PCI Express (PCIe)總線的系統(tǒng)交換信息等。探查串化器/解串器(SERDES)和PCIe控制器，使您能夠獲得底層協(xié)議層工作的詳細(xì)信息，這對于總線接口調(diào)試非常重要。但是，如果您希望總線接口能夠正常工作，觀察信息流，那么，您最好監(jiān)視主存儲器中的緩沖，而忽略總線控制器。

問題的相對性

一旦找到了您需要的數(shù)據(jù)，確定了要在系統(tǒng)中的哪些地方來提取這些數(shù)據(jù)，那么，您需要收集數(shù)據(jù)，知道數(shù)據(jù)與時間的相關(guān)性，找到觸發(fā)模式，采集您希望保存的數(shù)據(jù)，從系統(tǒng)中提取出這些數(shù)據(jù)，送入分析工具中。在分立系統(tǒng)中，這一過程相對簡單：所有工作都可以回到邏輯分析儀中完成，分析儀提供統(tǒng)一時間基礎(chǔ)。在基于SoC的系統(tǒng)中，您可能希望把所有數(shù)據(jù)送回SoC的中心模塊中，如圖2所示。好消息是，泰克和ARM的IP簡化了這一過程。

圖2.完整的片內(nèi)調(diào)試系統(tǒng)結(jié)合了傳統(tǒng)的CPU內(nèi)核調(diào)試和數(shù)據(jù)采集站以及信息路由，提供將數(shù)據(jù)從芯片中輸出的方法。

但是，使用IP帶來了新問題。中心模塊和電路板另一側(cè)芯片之間的延時會有十幾個時鐘周期。即使在芯片內(nèi)部，也會有數(shù)十個時鐘域，當(dāng)您跨過時鐘域邊界時，延時會增加很多CPU周期。您怎樣知道兩路數(shù)據(jù)是同時的呢?

如果您要開發(fā)自己的調(diào)試工具，那么，這會很難。您可以估算數(shù)據(jù)采集模塊和中心控制器之間的傳播延時，然后，對數(shù)據(jù)流進(jìn)行后處理，使其對齊。但是，這一方法難以解決時鐘域交叉的非確定性延時問題。您可以分配一路主時鐘，使用它對您采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時間戳處理，但是，這需要很大的電路開銷。泰克等提供的商用解決方案同時使用了硬核IP和軟件算法，在底層自動完成所有這些工作。通過這些算法，可以在一個與時間相關(guān)的視圖中看到SoC不同時鐘域和不同物理位置上的事件，通常會發(fā)現(xiàn)意外的系統(tǒng)行為。