如何利用嵌入式儀器調(diào)試SoC？

　　隨著系統(tǒng)級芯片（SoC）的復(fù)雜度不斷提高，軟、硬件開發(fā)融合所帶來的挑戰(zhàn)已經(jīng)不可小覷。這些功能強(qiáng)大的系統(tǒng)現(xiàn)在由復(fù)雜的軟件、固件、嵌入式處理器、GPU、存儲控制器和其它高速外設(shè)混合而成。更高的功能集成度與更快的內(nèi)部時鐘速度以及復(fù)雜的高速I/O相結(jié)合，意味著提供正常運行、并經(jīng)過全面驗證的系統(tǒng)比以前變得更難。

　　傳統(tǒng)上，軟件驗證和調(diào)試及硬件驗證和調(diào)試一直是兩個不同的世界。通常情況下，軟件團(tuán)隊和硬件團(tuán)隊各自為政，前者專注于編程模型內(nèi)部的軟件執(zhí)行，后者則在硬件開發(fā)框架內(nèi)進(jìn)行調(diào)試，其中時鐘周期精度、并行運行及調(diào)試數(shù)據(jù)回溯原始設(shè)計的關(guān)系是關(guān)鍵。理論上，經(jīng)過全面調(diào)試后，軟件和硬件應(yīng)無差錯地協(xié)同運行。但在實際環(huán)境中，無差錯協(xié)同運行的情況不多，正因如此，經(jīng)常會導(dǎo)致關(guān)鍵成本上升及產(chǎn)品開發(fā)周期延誤。

　　為在合理的成本和時間范圍內(nèi)實現(xiàn)更高的集成度，業(yè)界必須轉(zhuǎn)向新的方法：設(shè)計的洞察。換句話說，如果我們想能夠高效地持續(xù)驗證和調(diào)試這些系統(tǒng)，工程師們必須提前設(shè)計成能夠提供全面的系統(tǒng)視圖。其中的關(guān)鍵是能夠了解涵蓋硬件領(lǐng)域和軟件領(lǐng)域的各種行為之間的臨時關(guān)系。本文介紹了使用嵌入式儀器調(diào)試SoC的一種方法，說明了通過整合硬件調(diào)試視圖和軟件調(diào)試視圖，可以更快、更高效地調(diào)試整個系統(tǒng)。

　　構(gòu)建測試臺

　　圖1所示的SoC 由一塊32位RISC指令集處理器及一條AMBA APB外設(shè)總線組成，處理器連接到AMBA AHB系統(tǒng)總線上。SoC還包含一個DDR2存儲控制器、一個千兆位以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)適配器、一個Compact Flash控制器、VGA控制器及多個低速外設(shè)接口。SoC運行Debian GNU Linux操作系統(tǒng)第4版，這一操作系統(tǒng)運行v2.6.21內(nèi)核。處理器核心工作頻率為60MHz，DDR存儲控制器工作頻率為100MHz，其它I/O 外設(shè)在33MHz~12MHz之間的基本頻率上運行。整個SoC在Virtex-5開發(fā)板卡上實現(xiàn)。

　　圖1. SoC基線測試臺

　　總體上看，這一系統(tǒng)是一臺全功能計算機(jī)，能夠提供基于終端的用戶接入，能夠連接互聯(lián)網(wǎng)，運行應(yīng)用程序，安裝文件系統(tǒng)等等。SoC的這些特點產(chǎn)生了復(fù)雜的調(diào)試場景，給硬件調(diào)試設(shè)施和軟件調(diào)試設(shè)施的功能帶來了壓力。在大多數(shù)情況下，關(guān)鍵操作都同時涵蓋硬件和軟件。

　　調(diào)試基礎(chǔ)設(shè)施

　　處理器核心開發(fā)人員一般會提供調(diào)試基礎(chǔ)設(shè)施，要么是某個核心的一套固定特性，要么是一群核心的可配置插件。不管是哪種形式，調(diào)試基礎(chǔ)設(shè)施都變成了被制造的核心的一部分。然后調(diào)試軟件使用這個基礎(chǔ)設(shè)施，為軟件開發(fā)人員提供調(diào)試特性。

　　與大多數(shù)現(xiàn)代處理器類似，如英特爾處理器、AMD處理器、IBM處理器、Oracle處理器和ARM處理器，這里突出顯示的處理器核心支持一套基本調(diào)試功能。在本例中，可以通過JTAG訪問的“后門”，允許軟件調(diào)試程序（如GDB）讀取和寫入系統(tǒng)中的存儲器，檢測處理器的運行狀態(tài)。通過這些機(jī)制及訪問原始軟件源代碼，GDB和其它軟件調(diào)試程序可以提供軟件斷點、單步操作、變量值檢查、堆棧跟蹤、初始條件配置、交替存儲器值及恢復(fù)功能。

　　在大多數(shù)情況下，硬件調(diào)試設(shè)施并不是與構(gòu)成SoC的硬件IP核心一起提供的。相反，硬件調(diào)試設(shè)施通常疊加到現(xiàn)有的SoC設(shè)計上。造成這種差異的原因有很多。首先，與軟件調(diào)試不同，硬件要求的底層功能具有多樣化特點，通常只有在SoC組裝時才能得到全面了解。此外，每種新的SoC通常要求不同的調(diào)試基礎(chǔ)設(shè)施。最后，作為新興領(lǐng)域，硬件調(diào)試的標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)不夠。因此，硬件調(diào)試設(shè)施通常被留給各個設(shè)計人員，這些設(shè)計人員會創(chuàng)建針對不同功能領(lǐng)域的特定調(diào)試特性。在大型機(jī)構(gòu)中，通常會開發(fā)擁有內(nèi)部支持的工具和結(jié)構(gòu)。但是，隨著SoC的復(fù)雜程度不斷提高，創(chuàng)建高效硬件調(diào)試設(shè)施的復(fù)雜程度也在不斷提高，內(nèi)部開發(fā)工作難以為繼。

　　作為替代方案，測試和測量廠商可以提供完整的設(shè)計工具、IP庫和工作流程，創(chuàng)建硬件調(diào)試設(shè)施。圖2所示的設(shè)置稱為Tektronix Clarus Post-Silicon Validation Suite，這一驗證套件由多種可以重復(fù)配置的嵌入式儀器組成，這些儀器可以連接起來，分布在整個SoC中，創(chuàng)建滿足特定功能要求的調(diào)試基礎(chǔ)設(shè)施。 Implementer工具可以在RTL級（Vreilog、System Verilog和VHDL）把硬件設(shè)計中任何層級的任何信號儀器化。Analyzer通過JTAG或以太網(wǎng)連接，配置和控制嵌入式儀器。最后，Investigator把嵌入式儀器收集的數(shù)據(jù)向回映射到原始RTL（在仿真環(huán)境中），實現(xiàn)更復(fù)雜的調(diào)試。

　　圖2： Clarus Post-Silicon Vlidtion Suite套件的結(jié)構(gòu)。

　　嵌入式儀器被應(yīng)用到SOC中，提供調(diào)試基礎(chǔ)設(shè)施，如圖3所示。其中一個重要方面是能夠在調(diào)試過程中重新配置儀器，針對SoC不同領(lǐng)域中的各種信號和場景。基本儀器稱為捕獲站，其獨立管理觀測數(shù)據(jù)的選擇、壓縮、處理和存儲。多臺捕獲站通常一起使用，為某個SoC創(chuàng)建特定設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)施。在插入過程中，捕獲站配置一系列關(guān)心的潛在信號、最高同時觀測數(shù)量以及最大RAM容量。捕獲站一般被分配給特定時鐘域，同時捕獲觀測數(shù)據(jù)。Analyzer從每個捕獲站中收集數(shù)據(jù)，顛倒壓縮算法，把每個站中捕獲的數(shù)據(jù)對準(zhǔn)，在所有捕獲站中生成時間相關(guān)的視圖。

　　圖3： 硬件調(diào)試基礎(chǔ)設(shè)施。

　　本例中使用的SoC有四個捕獲站：一個位于處理器時鐘域，標(biāo)為1號捕獲站（60MHz），針對362個信號；一個位于RX以太網(wǎng)域，標(biāo)為2號捕獲站 （25MHz），針對17個信號；一個位于TX以太網(wǎng)域，標(biāo)為3號捕獲站（25MHz），針對17個信號；最后一個位于閃存時鐘域，標(biāo)為4號捕獲站 （33MHz），針對178個信號。每個捕獲站都并行運行，能夠選擇性地觀測任意信號組合。Analyzer工具的最終輸出是一個表示實際硅片器件中時鐘周期準(zhǔn)確信號事務(wù)的波形，如圖4所示。

　　圖4： SoC波形實例。

　　盡管軟件調(diào)試設(shè)施和硬件調(diào)試設(shè)施在目標(biāo)平臺上觀測只限于軟件問題或硬件問題時效果很好，但在了解涉及軟件和硬件交互的行為時，則面臨著明顯挑戰(zhàn)。表1列出了我們的測試臺開發(fā)過程中遇到的部分問題，以及我們在業(yè)界看到的代表性問題。

　　主要挑戰(zhàn)在于，盡管使用軟件調(diào)試設(shè)施或硬件調(diào)試設(shè)施能夠“看到”非預(yù)期行為的影響，但通常很難確定觀測到的不正確行為到底是因還是果。這個問題經(jīng)常變成軟件中非預(yù)計的行為是硬件行為不正確的結(jié)果，還是其它方式。關(guān)鍵在于確定多個事件之間的臨時關(guān)系，這要求軟件調(diào)試視圖和硬件調(diào)試視圖之間有一個公共參照物。

　　事件管理

　　重建軟件調(diào)試視圖和硬件調(diào)試視圖之間臨時關(guān)系的能力，涉及兩種調(diào)試設(shè)施中調(diào)試狀態(tài)和事件處理的整合，或綜合硬件管理，如圖5所示。

　　圖5： 綜合事件管理。

　　在本例中，Clarus Suite提供的分布式異步儀器使得每個捕獲站可以視作自治設(shè)備。為支持儀器之間的“交叉觸發(fā)”，有一條共享事件總線及一個集中式事件處理器。集中式事件處理器在圖5中標(biāo)為接入控制（Access Control），把調(diào)試事件和狀態(tài)傳送給Analyzer軟件，Analyzer軟件管理著整個調(diào)試基礎(chǔ)設(shè)施。這可以對多個功能單元和時鐘域同時進(jìn)行高效硬件調(diào)試。為創(chuàng)建綜合事件管理，這些信息傳播到軟件調(diào)試設(shè)施中，并從軟件基礎(chǔ)設(shè)施中收集數(shù)據(jù)。通過采用綜合事件管理，基礎(chǔ)設(shè)施可以檢測軟件斷點事件，調(diào)試處理器的狀態(tài)。同樣，軟件調(diào)試設(shè)施能夠檢測硬件觸發(fā)，調(diào)試硬件調(diào)試設(shè)施的狀態(tài)。

　　綜合事件管理的兩大優(yōu)勢是軟件調(diào)試發(fā)起的事件能夠控制硬件觸發(fā)，硬件調(diào)試發(fā)起的事件能夠控制軟件調(diào)試。更具體地說，軟件斷點可以映射到特定硬件行為，硬件觸發(fā)可以在某個點中斷軟件。圖6和圖7分別說明了這兩種場景的實例。

　　圖6：由軟件發(fā)起的事件。

　　圖7：由硬件發(fā)起的事件。

　　為演示綜合調(diào)試系統(tǒng)中軟件發(fā)起的斷點功能，我們修改了Linux內(nèi)核，在磁盤扇區(qū)0x00041d90上發(fā)生讀取時打印消息“BLOCK”。然后，把目標(biāo)對準(zhǔn)調(diào)試設(shè)施中來自“sysace”Compact Flash控制器的軌跡。我們使用GDB，在xsysace.c文件第714行上設(shè)置了一個硬件斷點（printk發(fā)生的行）。然后配置測試設(shè)施，使用綜合事件管理監(jiān)測軟件調(diào)試設(shè)施。最后，“find/”命令強(qiáng)制內(nèi)核讀取整個磁盤。如圖6所示，軟件斷點在希望的行上暫停了內(nèi)核執(zhí)行，另外還觸發(fā)了硬件調(diào)試設(shè)施。結(jié)果，可以在軟件斷點時間上看到詳細(xì)的硬件行為。

　　我們使用硬件適配器，演示綜合調(diào)試系統(tǒng)中硬件發(fā)起的觸發(fā)功能。我們設(shè)置成在Linux內(nèi)核清除以太網(wǎng)適配器中的“RX Packet Ready Interrupt Bit”時發(fā)生硬件觸發(fā)。我們把綜合事件管理界面配置成把硬件事件映射到軟件調(diào)試設(shè)施。到系統(tǒng)中路由器IP地址的ping從SoC到路由器應(yīng)答位置發(fā)起一個發(fā)送包。在應(yīng)答發(fā)生時，這個包到達(dá)以太網(wǎng)物理層，由以太網(wǎng)適配器處理。然后處理器被中斷，Linux內(nèi)核服務(wù)中斷。在中斷服務(wù)結(jié)束時，中斷被清除。這導(dǎo)致硬件觸發(fā)和軟件被暫停，如圖7所示。得到的視圖顯示了從物理層直到操作系統(tǒng)的整個復(fù)雜系統(tǒng)中硬件和軟件的同步行為或時間相關(guān)行為。

　　小結(jié)：通過在軟件調(diào)試設(shè)施和硬件調(diào)試設(shè)施之間創(chuàng)建綜合事件管理界面，可以圍繞軟件調(diào)試事件和硬件調(diào)試事件實現(xiàn)單事件同步。這種同步可以有意義地表示同時來自這兩種基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)試數(shù)據(jù)。這樣一個完整的系統(tǒng)視圖為觀察涵蓋軟件和硬件的各種SoC功能之間的臨時關(guān)系打開了一扇窗戶，可以更快、更高效地調(diào)試日益復(fù)雜的 SoC設(shè)計。