如何有效使用RISC-V的跟蹤技術(shù)

在嵌入式軟件開發(fā)中，利用完整的應(yīng)用跟蹤，可為開發(fā)人員分析其產(chǎn)品行為提供無限的可能性。通過對應(yīng)用程序的全面了解，他們可以跟蹤每一條指令，看看他們的應(yīng)用程序是否按照預(yù)期運行，或者是否出現(xiàn)錯誤或漏洞。那么，如何才能最大化地利用現(xiàn)有可用的RISC-V跟蹤呢？

什么是跟蹤？

與傳統(tǒng)的通過設(shè)置斷點、printf等進(jìn)行調(diào)試相比，跟蹤更像是在不打擾的情況下觀察你的應(yīng)用程序。基本上，開發(fā)人員可以在不干擾程序的情況下觀察整個程序的工作情況。跟蹤包括完整的指令執(zhí)行流程（不需要printf也不需要UART），一旦跟蹤數(shù)據(jù)被捕獲，你可以快速追溯，并隔離異常和硬故障。

這使得尋找那些罕見的、依賴于執(zhí)行順序的漏洞變得更加容易，因為這提供了一串線索：程序執(zhí)行是怎么樣的，按什么順序執(zhí)行的。這使開發(fā)人員能夠準(zhǔn)確地了解它們是如何以及為什么總是會停在一串特殊的代碼上。你可以迅速發(fā)現(xiàn)異常和硬故障，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)那些罕見的、依賴于執(zhí)行順序的錯誤。如果沒有跟蹤，當(dāng)你的程序出現(xiàn)崩潰，就很難重現(xiàn)實際發(fā)生的情況。

然而，跟蹤不僅僅是為了發(fā)現(xiàn)錯誤。跟蹤還可以進(jìn)行代碼剖析、代碼覆蓋等，你可以實時了解你的設(shè)備的行為。性能和覆蓋率監(jiān)測是強(qiáng)大的功能，當(dāng)你有跟蹤功能時，就可以實現(xiàn)這些強(qiáng)大的功能。如果你的帶寬夠?qū)?，甚至可以將實時跟蹤流整合到你的調(diào)試器中。

RISC-V的跟蹤技術(shù)

RISC-V組織的主要關(guān)注點之一是為RISC-V制定標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范。對所有RISC-V成員開放的各種工作小組，目前正專注于開發(fā)制定這些規(guī)范。其中一個例子是處理器跟蹤工作組，該工作組在2020年2月批準(zhǔn)發(fā)布了處理器跟蹤規(guī)范。另一個例子是Nexus跟蹤小組，該小組致力于研究如何使用Nexus IEEE-ISTO 5001?標(biāo)準(zhǔn)針對RISC-V內(nèi)核定義的跟蹤技術(shù)。

這類工作將持續(xù)進(jìn)行，因為必須考慮跟蹤標(biāo)準(zhǔn)的所有方面。其中，包括跟蹤控制的輸出格式。最低的目標(biāo)是與更成熟的架構(gòu)的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)看齊。如果RISC-V跟蹤規(guī)范做得好，它將使現(xiàn)有的跟蹤查看器、硬件跟蹤探頭和跟蹤分析工具易于采用。目前已經(jīng)有一些實現(xiàn)的方案，但RISC-V架構(gòu)應(yīng)該在從物聯(lián)網(wǎng)到服務(wù)器的每個設(shè)備中都有跟蹤，即使是簡單、標(biāo)準(zhǔn)的跟蹤也比完全沒有跟蹤好。

圖1 來自一個RISC-V設(shè)備的跟蹤

看清每條指令

軟件開發(fā)工具中集成對跟蹤的支持增強(qiáng)了日常的代碼開發(fā)/調(diào)試。跟蹤應(yīng)該是設(shè)計人員日常環(huán)境中固有的一部分，而不應(yīng)該是事后分析的東西。因此，你可以寫代碼并運行，看看是如何到達(dá)當(dāng)前的執(zhí)行點的。通過快速追溯、隔離異常和硬故障的功能，你可以直接迭代并獲得良好的代碼質(zhì)量。你還可以找到依賴于執(zhí)行順序的漏洞，并找到可以與你的程序流程相關(guān)聯(lián)的功耗測量值。所有這些分析也可以在具有挑戰(zhàn)性和復(fù)雜依賴性的多核環(huán)境下進(jìn)行。

在尋找一個漏洞時，翻閱捕獲的跟蹤的難度無異于大海撈針。在短短幾秒鐘的執(zhí)行時間里，可以產(chǎn)生數(shù)以億計的指令。因此，極為重要的是，規(guī)范將提供足夠的觸發(fā)器，以便能夠?qū)⒉东@限制在特定區(qū)域。先進(jìn)的導(dǎo)航和搜索功能是必不可少的，如果你的編譯器/調(diào)試器工具提供該功能，則可以使用跟蹤觸發(fā)器將跟蹤數(shù)據(jù)限制在你需要的范圍內(nèi)。

為什么需要跟蹤？

在設(shè)備中植入跟蹤單元，讓你有可能在產(chǎn)品運行時進(jìn)行非侵入性的跟蹤。因為即使添加非常底層的調(diào)試打印輸出，也會改變應(yīng)用程序的時間，并掩蓋其真實行為。

有許多方法可以捕捉和獲得從設(shè)備中輸出的跟蹤數(shù)據(jù)：

●   順序排列

-   足夠的PC采樣跟蹤（對統(tǒng)計代碼剖析研究有好處）

-   輕型儀器、實時操作系統(tǒng)（RTOS）監(jiān)控、變量跟蹤等

-   配備優(yōu)秀的探針，有可能達(dá)到幾兆字節(jié)/秒的速度

●   高速并行接口（4至16位的雙邊接口）

-   捕獲一切（時鐘速度可以很高）

-   通過控制流轉(zhuǎn)移時留下的信息進(jìn)行跟蹤

- 為你執(zhí)行的每一條指令提供保證

-   指令執(zhí)行過程信息實時存儲在調(diào)試器探針上

●   RAM緩沖區(qū)

-   要么是小的專用RAM，要么與系統(tǒng)內(nèi)存共享

-   即使是4KB的跟蹤RAM也能提供足夠的功能，真正發(fā)揮作用

●   高速排列

-   速度為10Gbits/s或更高

-   主要適用于較大的、復(fù)雜的系統(tǒng)

●   通過功能接口進(jìn)行跟蹤（USB3.0提供了超高帶寬！）

-   使用案例有限——對小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說不是一個選擇

調(diào)試異常情況

通過在日常工作中使用跟蹤，你可以真實看到應(yīng)用程序是如何運行的。你可以檢查程序流，直到一個特定的狀態(tài)，如應(yīng)用程序崩潰，然后使用跟蹤數(shù)據(jù)來定位問題的起源。

異?；蛭刺幚淼墓收峡梢杂芍羔槅栴}、非法指令或數(shù)據(jù)中止引起。通常，當(dāng)這種情況發(fā)生時，你的堆棧（和函數(shù)調(diào)用信息）會被毀掉，但通過跟蹤，你可以獲得完整的應(yīng)用程序歷史記錄。跟蹤數(shù)據(jù)對于定位那些顯現(xiàn)不規(guī)則且零星發(fā)生的編程錯誤也很有用。這可以幫助發(fā)現(xiàn)價值“百萬美元”的漏洞。

硬件和軟件工具的集成

獲得盡可能高質(zhì)量的代碼的最佳方法是將跟蹤分析能力整合到你的日常開發(fā)環(huán)境中。如果你能在每次部署變化時驗證程序時序和正確性，那么將復(fù)雜的漏洞推給后期系統(tǒng)驗證甚至客戶的風(fēng)險就會大大降低。最好的解決方案是擁有像跟蹤調(diào)試探針這樣的硬件工具，它可以在你的集成開發(fā)環(huán)境中與軟件工具無縫協(xié)作。例如，IAR提供跟蹤探頭I-jet Trace，它與完整的C/C++編譯器和調(diào)試器工具鏈IAR Embedded Workbench完全集成。

I-jet Trace解鎖了IAR Embedded Workbench 集成開發(fā)環(huán)境中的一些高級功能。在圖2中，你可以看到幾個高級視圖功能的例子，上面是時間軸，下面是代碼堆棧。這顯示的是運行中的程序正在進(jìn)行復(fù)雜的函數(shù)調(diào)用，并且中斷也在同步觸發(fā)。藍(lán)色部分顯示的是數(shù)據(jù)跟蹤，這樣你就可以獲得儀表化的顯示，并看到RTOS的切換等。下面的詳細(xì)圖顯示了啟動代碼的運行情況——有復(fù)雜的調(diào)用，還有一些較長和較短的函數(shù)，甚至還有一個工具提示來優(yōu)化其中一個調(diào)用的代碼。

圖2 結(jié)合調(diào)用堆棧和中斷以及變量記錄的時間軸實例

代碼質(zhì)量

但是，跟蹤不僅僅是為了發(fā)現(xiàn)漏洞。它還可以幫助你監(jiān)控你的應(yīng)用程序——它是否按照預(yù)期運行？集成性能監(jiān)控是使用跟蹤的主要好處之一，因為它可以幫助你了解應(yīng)用程序執(zhí)行時間都花在哪里了，是否受到中斷風(fēng)暴的影響，是否有時反應(yīng)不夠快等等。

代碼覆蓋率也是一個可以用跟蹤實現(xiàn)的功能（圖3展示了它在IAR Embedded Workbench中的樣子）。這可以用來證明代碼至少被運行過一次，查找出未運行的代碼，顯示測試的缺陷等等。功能安全認(rèn)證強(qiáng)烈建議將代碼覆蓋率作為提高質(zhì)量的一個手段。靜態(tài)代碼分析工具是對跟蹤分析器一個很好的補(bǔ)充。這可以確保代碼符合特定行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和最佳編程實踐。除了覆蓋率，該工具還可以收集每個單獨指令的執(zhí)行次數(shù)。例如，有些指令塊被執(zhí)行了4次，有些被執(zhí)行了12次。很明顯，沒有被覆蓋的代碼執(zhí)行了0次。

圖3 跟蹤也可以審查代碼覆蓋率

總結(jié)

跟蹤提供了各種有益的數(shù)據(jù)源，如收集數(shù)據(jù)或協(xié)助開發(fā)人員將信息過濾成實際的知識和見解。用不同的跟蹤查看器進(jìn)行可視化和分析，可以創(chuàng)建一個產(chǎn)品如何運行及其動態(tài)行為的真實描述，為開發(fā)人員提供必要的信息，以跟蹤那些很難，甚至不可能通過其他手段捕捉的復(fù)雜漏洞。通過在日常開發(fā)中加入跟蹤，開發(fā)人員可以加速軟件開發(fā)過程，提高軟件質(zhì)量。