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(wú)限的可能性。通過(guò)對(duì)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(yùn)行，或者是否出現(xiàn)錯(cuò)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(guò)設(shè)置斷點(diǎn)、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?；旧?，開發(fā)人員可以在不干擾程序的情況下觀察整個(gè)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?yàn)檫@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(huì)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(cuò)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(shí)際發(fā)生的情況。

然而，跟蹤不僅僅是為了發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。跟蹤還可以進(jìn)行代碼剖析、代碼覆蓋等，你可以實(shí)時(shí)了解你的設(shè)備的行為。性能和覆蓋率監(jiān)測(cè)是強(qiáng)大的功能，當(dāng)你有跟蹤功能時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)這些強(qiáng)大的功能。如果你的帶寬夠?qū)挘踔量梢詫?shí)時(shí)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(diǎn)之一是為RISC-V制定標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范。對(duì)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(gè)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(gè)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(duì)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?yàn)楸仨毧紤]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(shí)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(gè)設(shè)備中都有跟蹤，即使是簡(jiǎn)單、標(biāo)準(zhǔn)的跟蹤也比完全沒有跟蹤好。

圖1 來(lái)自一個(gè)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(duì)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(jì)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(yùn)行，看看是如何到達(dá)當(dāng)前的執(zhí)行點(diǎn)的。通過(guò)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(cè)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(gè)漏洞時(shí)，翻閱捕獲的跟蹤的難度無(wú)異于大海撈針。在短短幾秒鐘的執(zhí)行時(shí)間里，可以產(chǎn)生數(shù)以億計(jì)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(yùn)行時(shí)進(jìn)行非侵入性的跟蹤。因?yàn)榧词固砑臃浅５讓拥恼{(diào)試打印輸出，也會(huì)改變應(yīng)用程序的時(shí)間，并掩蓋其真實(shí)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(duì)統(tǒng)計(jì)代碼剖析研究有好處）

- 輕型儀器、實(shí)時(shí)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(shí)鐘速度可以很高）

- 通過(guò)控制流轉(zhuǎn)移時(shí)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(guò)程信息實(shí)時(shí)存儲(chǔ)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(guò)功能接口進(jìn)行跟蹤（USB3.0提供了超高帶寬?。?/strong>