關(guān)于嵌入式處理器的在線調(diào)試方法

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(guò)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(kāi)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(méi)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(guò)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(guò)引入一種通用的調(diào)試模塊(?Universal?Debug?Module，UDM)?可以使沒(méi)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。

對(duì)于沒(méi)有調(diào)試接口的處理器目前主要是通過(guò)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(guò)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(lèi)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。

使用UDM?的調(diào)試系統(tǒng)，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(chēng)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(guò)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(kāi)發(fā)工具的Memory?窗口直接進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)UDM?的操控。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(jiàn)的設(shè)計(jì)，因此這種通信方式適用的范圍很廣。

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(guò)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(guò)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(guò)其總線接口訪問(wèn)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)。

產(chǎn)生DI?時(shí)由于處理器會(huì)立即執(zhí)行DR，從而中斷正常的執(zhí)行流程轉(zhuǎn)為為調(diào)試服務(wù)，因此決定DI?產(chǎn)生的時(shí)機(jī)是實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)機(jī)制的核心。DI?信號(hào)是通過(guò)監(jiān)測(cè)處理器的取指令地址(?Instruction?Address，?IA)產(chǎn)生的。直接通過(guò)一個(gè)比較器將IA?與一個(gè)數(shù)據(jù)比較一次只能設(shè)置一個(gè)斷點(diǎn)，為了解決此矛盾采用了如下方法:?在UDM?中用雙口RAM?存儲(chǔ)斷點(diǎn)配置信息，使RAM?中的每1bit?與程序存儲(chǔ)區(qū)的一個(gè)地址對(duì)應(yīng)起來(lái)，數(shù)據(jù)為1?代表設(shè)置了斷點(diǎn)，0?代表沒(méi)有。

將輸入的IA?進(jìn)行地址變換后對(duì)RAM?存儲(chǔ)區(qū)尋址，使得RAM?在一端輸出一個(gè)正好代表輸出的地址處是否設(shè)置了斷點(diǎn)信息，再根據(jù)此數(shù)據(jù)就可生成正確的DI?信號(hào)。在雙口RAM?的另外一端，斷點(diǎn)設(shè)置情況可以方便地被修改。這樣一來(lái)可以設(shè)置的斷點(diǎn)個(gè)數(shù)變?yōu)橹饕躑DM?中雙口RAM?容量限制了。

只需在DR?中保證處理器不對(duì)目標(biāo)程序的內(nèi)外部環(huán)境造成改變，就等效于實(shí)現(xiàn)了處理器的掛起功能。因此，需要將DR?和目標(biāo)程序的執(zhí)行環(huán)境隔離開(kāi)來(lái)，這可以通過(guò)對(duì)編譯器進(jìn)行某些設(shè)置或強(qiáng)制的編碼規(guī)范來(lái)實(shí)現(xiàn)。在處理器被掛起之后，DR?與外部調(diào)試主機(jī)通信，通過(guò)查詢(xún)命令寄存器的方式響應(yīng)調(diào)試主機(jī)發(fā)出的各種調(diào)試命令。這些命令包括:?將有關(guān)的調(diào)試信息搬移到外部調(diào)試主機(jī)可以觀察的緩存區(qū)中、修改Memory?空間中的數(shù)據(jù)、退出DR?使目標(biāo)程序繼續(xù)執(zhí)行等。由于DR?必須與目標(biāo)程序使用相互隔離的資源并且小型處理器中代碼容量，外部Memory空間大小等都比較受限，因此DR?的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能占用較少的端口數(shù)、通用寄存器數(shù)和代碼總行數(shù)。