32位ARM嵌入式處理器的調(diào)試技術(shù)

摘要：針對(duì)32位ARM處理器開發(fā)過程中調(diào)試技術(shù)的研究，分析了目前比較流行的基于JTAG的實(shí)時(shí)調(diào)試技術(shù)，介紹了正在發(fā)展的嵌入式調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)，并展望期趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞：嵌入式 調(diào)試 處理器 JTAG Nexus ARM 隨著對(duì)高處理能力、實(shí)時(shí)多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)通信、超低功耗需求的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)8位機(jī)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了新產(chǎn)品的要求，高端嵌入式處理器已經(jīng)進(jìn)入了國(guó)內(nèi)開發(fā)人員的視野，并在國(guó)內(nèi)得到了普遍的重視和應(yīng)用。ARM內(nèi)核系列處理器是由英國(guó)ARM公司開發(fā)授權(quán)給其他芯片生產(chǎn)商進(jìn)行生產(chǎn)的系統(tǒng)級(jí)芯片。目前在嵌入式32位處理器市場(chǎng)中已經(jīng)達(dá)到70%的份額。筆者在對(duì)三星公司的ARM7芯片技術(shù)調(diào)試的過程中，對(duì)這些高端嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。 傳統(tǒng)的調(diào)試工具及方法存在過分依賴芯片引腳、不能在處理器高速運(yùn)行下正常工作、占用系統(tǒng)資源且不能實(shí)時(shí)跟蹤和硬件斷點(diǎn)、價(jià)格過于昂貴等弊端。目前嵌入式高端處理器的使用漸趨普及。這些處理器常常運(yùn)行在100MHz，并且一些內(nèi)部控制以及內(nèi)部存儲(chǔ)器的總線信號(hào)并不體現(xiàn)在外部引腳上。這種片上系統(tǒng)(System on Chip)、深度嵌入、軟件復(fù)雜的發(fā)展趨勢(shì)給傳統(tǒng)的調(diào)試工具帶來了極大的挑戰(zhàn)，也給嵌入式處理器開發(fā)工程師的工作帶來了不便，這就需要更先進(jìn)的調(diào)試技術(shù)和工具進(jìn)行配套。本文將詳細(xì)介紹在ARM處理器中采用的幾種片上調(diào)試技術(shù)(on-chip debugger)。這些片上調(diào)試技術(shù)通過在芯片的硬件邏輯中加入調(diào)試模塊，從而能夠降低成本，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的在線仿真器和邏輯分析儀器的功能，并在一定的條件下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤和分析，進(jìn)行軟件代碼的優(yōu)化。

1 邊界掃描技術(shù)(JTAG) 邊界掃描技術(shù)是為了滿足當(dāng)今深度嵌入式系統(tǒng)調(diào)試的需要而被IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)所采納，全稱是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試訪問接口與邊界掃描結(jié)構(gòu)(Standard Test Access Portand Boundary Scan Architecture)。JTAG遵循1149.1標(biāo)準(zhǔn)，是面向用戶的測(cè)試接口，是ARM處理器調(diào)試的基礎(chǔ)。本文提到的ARM的E-TRACE調(diào)試模式實(shí)際上是JTAG的增強(qiáng)版本，其它一些32位嵌入式處理器的調(diào)試方式也基本上遵循這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)用戶接口一般由4個(gè)引腳組成：測(cè)試數(shù)據(jù)輸入(TDI)、測(cè)試數(shù)據(jù)輸出(TDO)、測(cè)試時(shí)鐘(TCK)、測(cè)試模式選擇引腳(TMS)，有的還加了一個(gè)異步測(cè)試復(fù)位引腳(TRST)。其體系結(jié)構(gòu)如圖1。 所謂邊界掃描就是將芯片內(nèi)部?jī)?nèi)科所有的引腳通過邊界掃描單元(BSC)串接起來，從JTAG的TDI引入，TDO引出。芯片內(nèi)的邊界掃描鏈由許多的BSC 組成，通過這些掃描單元，可以實(shí)現(xiàn)許多在線仿真器的功能。根據(jù)1149.1的規(guī)定，芯片內(nèi)的片上調(diào)試邏輯通常包括一個(gè)測(cè)試訪問接口控制器(TAP)。它是一個(gè)16狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)以及測(cè)試指令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、旁路寄存器和芯片標(biāo)識(shí)寄存器等。在正常模式下，這些測(cè)試單元(BSC)是不可見的。一旦進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，調(diào)試指令和數(shù)據(jù)從TDI進(jìn)入，沿著測(cè)試鏈通過測(cè)試單元送到芯片的各個(gè)引腳和測(cè)試寄存器中，通過不同的測(cè)試指令來完成不同的測(cè)試功能。包括用于測(cè)試外部電氣連接和外圍芯片功能的外部模式以及用于芯片內(nèi)部功能測(cè)試(對(duì)芯片生產(chǎn)商)的內(nèi)部模式，還可以訪問和修改CPU寄存器和存儲(chǔ)器，設(shè)置軟件斷點(diǎn)，單步執(zhí)行，下載程序等。其優(yōu)點(diǎn)如下： %26;#183;可以通過邊界掃描操作測(cè)試整個(gè)板的電氣連接，特點(diǎn)為表面貼元件提供方便; %26;#183;各個(gè)引腳信號(hào)的采樣，并可強(qiáng)制引腳輸出用以測(cè)試外圍芯片; %26;#183;可以軟件下載、執(zhí)行、調(diào)試和控制，為復(fù)雜的實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)試提供路徑; %26;#183;可以進(jìn)行多內(nèi)核和多處理器的板級(jí)和芯片級(jí)的調(diào)試，通過串接(如圖2)，為芯片制造商提供芯片生產(chǎn)、測(cè)試的途徑。 雖然JTAG調(diào)試不占用系統(tǒng)資源，能夠調(diào)試沒有外部總線的芯片，代價(jià)也非常小;但是由于JTAG是通過串口依次傳遞數(shù)據(jù)，速度比較慢，只能進(jìn)行軟件斷點(diǎn)級(jí)別的調(diào)試，自身還不能完成實(shí)時(shí)跟蹤和多種事件觸發(fā)等復(fù)雜調(diào)試功能。因此便有了幾種功能更為完善的增強(qiáng)版本。 2 ARM芯片的實(shí)時(shí)調(diào)試方案(E-TRACE) ARM公司的內(nèi)核芯片采用E-TRACE片上調(diào)試模式。它實(shí)際上是JTAG的升級(jí)版本，通過增強(qiáng)的輔助片上調(diào)試硬件來完成實(shí)時(shí)調(diào)試，解決了許多傳統(tǒng)調(diào)試器難以解決的問題。 圖2 對(duì)多內(nèi)核和多處理器的調(diào)試 它的實(shí)時(shí)調(diào)試方案通過三種途徑解決： %26;#183;EmbeddedICE硬邏輯; %26;#183;實(shí)時(shí)監(jiān)控; %26;#183;實(shí)時(shí)跟蹤。 EmbeddedICE邏輯單元存在于ARM7TDMI、ARM9TDMI、ARM9E和ARM10內(nèi)核中。它枯JTAG口的基礎(chǔ)上，增加了硬件斷點(diǎn)寄存器、比較器，通過斷點(diǎn)寄存器的值可以進(jìn)行硬件斷點(diǎn)的設(shè)置，不僅對(duì)地址還可以對(duì)數(shù)據(jù)、控制總線的信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的觸發(fā)控制設(shè)定，而不是單單在指令級(jí)別進(jìn)行中斷(如軟中斷)，從而滿足對(duì)特定事件的中斷響應(yīng)，極大的增加了靈活性，同時(shí)可以在ROM中設(shè)置斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)，極大地方便調(diào)試。其示意如圖3。 實(shí)時(shí)監(jiān)控則是進(jìn)一步在ARM9E和ARM10中的改進(jìn)。它改變EmbeddedICE在觸發(fā)中斷后時(shí)入調(diào)試模式狀態(tài)而停止內(nèi)核運(yùn)行的弊端，進(jìn)入一段非常小的中斷監(jiān)控程序中，得到所需要的信息后迅速把控制權(quán)轉(zhuǎn)讓給先前的任務(wù)(這是與遠(yuǎn)程監(jiān)控器最大的區(qū)別)。在監(jiān)控程序內(nèi)處理器完全可以再接收外界的中斷和其他觸事件，而不是停止運(yùn)行。這種方式綜合了JTAG和遠(yuǎn)程調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，它可以增加以下兩個(gè)好處： %26;#183;在不禁止中斷的前提下調(diào)試前景任務(wù)(即中斷時(shí)正在運(yùn)行的任務(wù)); %26;#183;不用停止處理器的運(yùn)行就可以讀寫和修改存儲(chǔ)器(對(duì)于機(jī)電設(shè)備非常重要)。 更為強(qiáng)大的是ARM的實(shí)時(shí)跟蹤解決方案，它由三部分組成： %26;#183;嵌入跟蹤微核; %26;#183;跟蹤分析儀; %26;#183;跟蹤調(diào)試軟件。

通過這三種工具可實(shí)現(xiàn)完全的實(shí)時(shí)跟蹤。跟蹤微核存在于芯片，它可以不停止CPU的運(yùn)行而實(shí)時(shí)監(jiān)視芯片總線的信息，并把設(shè)定觸發(fā)范圍內(nèi)的所有信息在CPU運(yùn)行的同時(shí)通過壓縮的方式送到外部的跟蹤分析儀器里。分析跟蹤儀器從芯片外部通過跟蹤口(另外一個(gè)不同于JTAG的接口)收取信息。因?yàn)槭菈嚎s的數(shù)據(jù)，所以分析儀不需要采用與跟蹤微核實(shí)時(shí)跟蹤相同的速度。這大大降低了分析的成本，并增加了存儲(chǔ)的容量。而PC端的跟蹤軟件則來自分析儀的數(shù)據(jù)重新組織起來，從而重現(xiàn)處理器的歷史狀態(tài)和數(shù)據(jù)、程序流程。同時(shí)還可以把執(zhí)行代碼與源代碼鏈接起來，使調(diào)試者快速理解跟蹤數(shù)據(jù)。ARM的這種方式通過芯片內(nèi)部的實(shí)時(shí)跟蹤硬件加上低成本的分析儀器，解決了傳統(tǒng)在線仿真器(ICE)和邏輯分析儀的諸多弊端。其示意如圖4。 3 Nexus標(biāo)準(zhǔn) 自從JTAG IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)出來后，越來越多的高端嵌入芯片生產(chǎn)商開始采用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。但是1149.1標(biāo)準(zhǔn)只能提供一種靜態(tài)的調(diào)試方法，如處理器的啟動(dòng)和停止、軟件斷點(diǎn)、單步執(zhí)行、修改寄存器，而不能提供處理器實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)的信息。于是各個(gè)廠家在自己的芯片上，把原有的JTAG的基本功能進(jìn)行了加強(qiáng)和擴(kuò)展，如前面提到的E-TRACE、背景調(diào)試模式BDM(Background Debugging Mode)和片上仿真OnCE(On-Chip Emulation)等，在處理器不停止運(yùn)行的前提下，進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)試。 由于這些增強(qiáng)的JTAG版本之間各有差異，而且即使同一廠家的不同產(chǎn)品之間也在存著不同。所以一些芯片廠商和調(diào)試工具開發(fā)公司于1998年成立了 Nexus 5001論壇，以期提出一個(gè)在JTAG之上的嵌入式處理器調(diào)度的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。[!--empirenews.page--]

Nexus將調(diào)試開發(fā)分成四級(jí)，從第一級(jí)開始，每級(jí)的復(fù)雜度都在增加，并且上級(jí)功能覆蓋下一級(jí)。第一級(jí)使用JTAG的簡(jiǎn)單靜態(tài)調(diào)試;第二級(jí)支持編程跟蹤和實(shí)時(shí)多任務(wù)的跟蹤，并歡用戶用I/O引腳作為多路復(fù)用輔助調(diào)試口;第三級(jí)包括處理器運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)寫入跟蹤和存儲(chǔ)器的讀寫跟蹤;第四級(jí)增加了存儲(chǔ)替換并觸發(fā)復(fù)雜的硬件斷點(diǎn)。從第二級(jí)開始，Nexus規(guī)定了可變的輔助口。輔助口使用3～16個(gè)數(shù)據(jù)引腳，用來幫助其他仿真器和分析儀之類的輔助調(diào)試工具。其示意如圖5。 通過Nexus標(biāo)準(zhǔn)可以解以下問題： %26;#183;調(diào)試內(nèi)部總線沒有引出的處理器，如含有片內(nèi)內(nèi)存器的芯片; %26;#183;傳統(tǒng)在線仿真器無法實(shí)現(xiàn)的高速調(diào)試; %26;#183;深度流水線和有片上Cache的芯片，能夠探測(cè)具體哪條指令被取和最終執(zhí)行; %26;#183;可以穩(wěn)定地進(jìn)行多內(nèi)核處理器的調(diào)試。 4 調(diào)試技術(shù)的展望 通過上面的分析可以看出，目前的調(diào)試技術(shù)可以在頻率100MHz、內(nèi)部總線外部不可見、需要進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤的情況下分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程調(diào)試器和在線仿真器的不足，并且成本非常低廉。 同時(shí)，調(diào)試技術(shù)還在不停地發(fā)展，目前IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)產(chǎn)生。它主要是將邊界掃描結(jié)構(gòu)用于處理模數(shù)混合芯片的調(diào)試。Nexus也已經(jīng)完成了標(biāo)準(zhǔn)的制定并有廠商開始在芯片上提供Nexus的調(diào)試硬件模塊。但是這些標(biāo)準(zhǔn)到底會(huì)不會(huì)被各個(gè)芯片廠商所采用，還有等時(shí)機(jī)的成熟。特別是兩大主流內(nèi)核公司 ARM和MIPS分別采用自已獨(dú)特內(nèi)核調(diào)試技術(shù)。ARM采用基于JTAG版本的E-Trace，而MIPS則是用EJTAG——加強(qiáng)的JTAG技術(shù)。它們對(duì)Nexus的態(tài)度也是旁觀等待。