一種新的嵌入式處理器在線調(diào)試方法

摘要: 針對(duì)嵌入式處理器在FPGA 中的應(yīng)用現(xiàn)狀，通過引入通用的調(diào)試模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)沒有調(diào)試接口的嵌入式處理器進(jìn)行在線調(diào)試的功能。所設(shè)計(jì)的調(diào)試模塊通過引入專用的調(diào)試中斷及與之對(duì)應(yīng)的調(diào)試服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)一種處理器響應(yīng)斷點(diǎn)( breakpoint) 的機(jī)制，并基于雙端口RAM 中一種巧妙的地址映射機(jī)制實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多行代碼設(shè)置斷點(diǎn)的功能。實(shí)際的工程應(yīng)用情況表明，新的調(diào)試方法擴(kuò)展了對(duì)小型嵌入式處理器進(jìn)行調(diào)試的手段，明顯提高了開發(fā)效率。

　　1 引言

　　在FPGA 設(shè)計(jì)中使用嵌入式處理器軟核( 如MicroBlaze、PicoBlaze 等) 構(gòu)成可編程片上系統(tǒng)( SystemOn Programmable Chip，SOPC) ，相比于ASIC 具有更好的可修改性和可維護(hù)性，得到了普遍的應(yīng)用。由于ARM，MicroBlaze 等大型處理器內(nèi)核具備調(diào)試接口，在與之對(duì)應(yīng)的調(diào)試模塊配合下，調(diào)試軟件可以通過JTAG 接口實(shí)現(xiàn): 執(zhí)行到斷點(diǎn)處掛起、單步執(zhí)行、查看處理器內(nèi)部狀態(tài)、查看和修改Memory空間中的數(shù)據(jù)等基本的在線調(diào)試功能。上述基本的在線調(diào)試功能對(duì)嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試具有重要意義。

　　對(duì)于PicoBlaze 等占用資源少、設(shè)計(jì)開發(fā)簡(jiǎn)單的小巧型處理器，一般不具備調(diào)試接口，然而在SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常需要使用上述處理器。使用上述處理器時(shí)，由于沒有調(diào)試接口，屬于大型處理器的標(biāo)準(zhǔn)高效的調(diào)試機(jī)制不再能夠使用，因此通過指令集仿真( ISS，Cycle － accurate Instruction Set Simulation) 和利用仿真工具對(duì)含有處理器的系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件協(xié)同仿真是確保設(shè)計(jì)正確性的重要途徑。然而在諸如接收機(jī)基帶信號(hào)處理等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，仿真所用的測(cè)試用例往往覆蓋率不夠，或者在發(fā)現(xiàn)故障以后很難構(gòu)造出與之相應(yīng)的測(cè)試用例。因此迫切需要使在線調(diào)試功能能夠方便地?cái)U(kuò)展到一般的處理器上。

　　針對(duì)上述應(yīng)用需求，這里提出的新調(diào)試方法通過引入一種通用的調(diào)試模塊( Universal Debug Module，UDM) 可以使沒有調(diào)試接口的處理器建立起標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)試機(jī)制。該調(diào)試模塊利用處理器的中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)處理器響應(yīng)斷點(diǎn)( breakpoint) 的機(jī)制，利用基于雙端口RAM 中一種巧妙的地址映射機(jī)制實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多行代碼設(shè)置斷點(diǎn)的功能，并且能夠方便地實(shí)現(xiàn)被調(diào)試系統(tǒng)和調(diào)試主機(jī)之間調(diào)試信息和命令的交互。UDM 還具有易于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)SOPC 系統(tǒng)中有多個(gè)處理器時(shí)可以共用一個(gè)UDM。

　　2 在線調(diào)試的一般原理

　　嵌入式處理器的主流在線調(diào)試方法，目前主要有2 種: 后臺(tái)調(diào)試模式( backgroud debug mode，BDM) 技術(shù)和基于IEEE P1149． 1 協(xié)議的JTAG 調(diào)試技術(shù)。BDM 技術(shù)在Motolora 微控制器中得到了大量的應(yīng)用，ARM，MIPS 和PowerPC 等處理器都具有基于JTAG 技術(shù)的在片調(diào)試功能，如ARM 公司提出了基于JTAG 技術(shù)的RDI 調(diào)試接口標(biāo)準(zhǔn)，主要用于ARM 芯片的調(diào)試。處理器內(nèi)核中通過增加支持調(diào)試的擴(kuò)展設(shè)計(jì)，可在預(yù)留的調(diào)試接口輸入簡(jiǎn)單的控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn): 處理器掛起( Halt) 、輸出PC 值和通用寄存器值、輸出和修改Memory 空間中的數(shù)據(jù)等基本的原始調(diào)試操作。通常上述調(diào)試接口的設(shè)計(jì)與指令集架構(gòu)相關(guān)，如MIPS32 提供如下一些調(diào)試方法: ①斷點(diǎn)指令BREAK; ②一些自陷指令TRAP; ③特殊控制寄存器WATCH，通過編程使得特定的load /store 操作以及取指操作產(chǎn)生特殊的例外;④一種基于TLB 的MMU，通過編程使得訪問任意存儲(chǔ)器頁(yè)都可以產(chǎn)生特定的例外。

　　對(duì)于沒有調(diào)試接口的處理器目前主要是通過在軟件和硬件設(shè)計(jì)中充分考慮可能的調(diào)試需求，再加上調(diào)試主機(jī)和被調(diào)試系統(tǒng)之間的通信機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試的。這種調(diào)試模式下，調(diào)試代碼需要插入到正常程序中，將調(diào)試信息輸出到調(diào)試主機(jī)，同時(shí)還能夠接收調(diào)試主機(jī)發(fā)過來(lái)的命令做出各種響應(yīng)。該方法的主要缺陷是針對(duì)不同的調(diào)試需求，要不斷修改正常程序中的調(diào)試代碼，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)化和通用性程度不高。此處的UDM 在不對(duì)處理器內(nèi)核做修改的情況下即可使這類處理器建立起方便的調(diào)試機(jī)制，是一種不同于主流大型處理器實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試的方法。

　　3 通用調(diào)試模塊( UDM) 的工作原理

　　3． 1 系統(tǒng)描述

　　使用UDM 的調(diào)試系統(tǒng)框圖如圖1 所示，利用與FPGA 同在一塊PCB 板上的ARM、DSP 等處理器作為輔助調(diào)試用的嵌入式處理器( 下文中簡(jiǎn)稱為輔助處理器) ，簡(jiǎn)化了UDM 與調(diào)試主機(jī)之間的通信。通過輔助處理器的總線接口，UDM 中的各種控制和數(shù)據(jù)寄存器被直接映射到輔助處理器的Memory 空間。在輔助處理器開發(fā)工具的Memory 窗口直接進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)UDM 的操控，如圖4、圖5 所示。由于在一塊PCB 板上同時(shí)集成FPGA 和嵌入式處理器芯片是很常見的設(shè)計(jì)，因此這種通信方式適用的范圍很廣。

圖1 應(yīng)用UDM 的調(diào)試系統(tǒng)框圖

　　UDM 直接作為FPGA 外部輔助調(diào)試的嵌入式處理器的外設(shè)，如果在外部處理器總線掛接多個(gè)UDM 模塊，就能實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)處理器進(jìn)行調(diào)試。

　　UDM 通過產(chǎn)生調(diào)試中斷( DeBug Interrupt，DI) 信號(hào)，使處理器響應(yīng)中斷并調(diào)用調(diào)試服務(wù)程序( DebugRoutine，DR) 。UDM 通過監(jiān)測(cè)處理器的取指令地址( Instruction Address， IA) 產(chǎn)生DI 信號(hào)。PicoBlaze 在運(yùn)行DR 時(shí)可通過其總線接口訪問UDM，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)試信息的輸出和對(duì)調(diào)試命令的響應(yīng)。