用于軟件驗證的硬件加速仿真之一：物理和虛擬探針

在驗證領(lǐng)域，虛擬探針增強了硬件加速仿真作為數據中心資源對硬件設計人員和軟件開(kāi)發(fā)人員的吸引力。

硬件加速仿真不斷證明它本身就是一種便利的工具，既可用于硬件/軟件協(xié)同驗證，也可用于測試硬件和軟件的集成。

啟動(dòng)操作系統并執行軟件應用程序需要經(jīng)過(guò)數十億個(gè)驗證周期 — 傳統的基于軟件的分析工具無(wú)法勝任這項任務(wù)。只有基于硬件的驗證引擎才可提供應對這一挑戰所需的吞吐量。正因為如此，硬件加速仿真和 FPGA 原型設計才會(huì )成為當今設計和驗證團隊的驗證工具箱中的必備引擎。

通過(guò)硬件加速仿真和 FPGA 原型設計，嵌入式軟件開(kāi)發(fā)人員能夠驗證嵌入式軟件并執行系統驗證，這是一項極具吸引力的功能。只有通過(guò)硬件加速仿真，他們才能確認嵌入式系統軟件能夠與底層硬件協(xié)同工作，因為 FPGA 原型設計沒(méi)有提供可調試內部工作的硬件設計可見(jiàn)性。

另外，在設計周期中，項目組成員可以使用硬件加速仿真的時(shí)間通常遠早于使用 FPGA 原型的時(shí)間。因此，使用硬件加速仿真技術(shù)，軟件開(kāi)發(fā)團隊開(kāi)始進(jìn)行驗證的時(shí)間要早于使用 FPGA 原型的情況。

硬件工程師也可以認識到在硬件加速仿真上運行軟件的優(yōu)勢。當實(shí)際軟件產(chǎn)品第一次在硬件上運行時(shí)，它幾乎總會(huì )暴露出硬件錯誤，即使最全面的驗證方法也會(huì )遺漏一些錯誤。及早運行軟件可以暴露出這些錯誤，以便我們加以解決。這樣不僅簡(jiǎn)單，而且成本較低。

物理探針

過(guò)去，軟件開(kāi)發(fā)人員使用物理 JTAG 探針來(lái)調試在硬件加速器上運行的代碼(圖 1)。JTAG 標準定義了一系列信號，以及通過(guò)四管腳接口讀取和寫(xiě)入物理芯片中的寄存器的方法。這種做法的初衷是提供一種測試芯片的方法，讓測試工程師窺探封裝芯片的內部，確認它是否正常工作。

軟件開(kāi)發(fā)人員意識到他們可以使用相同的接口，讀取和寫(xiě)入芯片中的處理器的通用寄存器。能夠讀取和寫(xiě)入處理器的主寄存器，意味著(zhù)他們可以調試在處理器上運行的程序。

通過(guò)一些巧妙的接口，他們可以使用嵌入式調試器(例如 Lauterbach 的 Trace-32 或 ARM 的 DS-5)，將命令發(fā)送到 JTAG 探針，以提取或設置連接到探針的板載處理器的狀態(tài)。這是開(kāi)發(fā)人員運行和調試嵌入式系統上的“裸機”程序和驅動(dòng)程序的最常用方法。

使用當今的硬件加速仿真系統，可通過(guò)連接到外部器件的任何 I/O 卡，輸出設計的任何信號。這種方法可用于輸出 JTAG 接口的四個(gè)信號。通過(guò)將這些來(lái)自硬件加速器中的設計的信號連接到 JTAG 探針，軟件開(kāi)發(fā)人員能夠在硬件加速仿真設計上，執行與在原型板上相同的調試工作。

由于 JTAG 探針將在設計后期用于原型板上，并且可能還在后續項目中使用，因此軟件開(kāi)發(fā)人員一般都了解該探針的使用方法和作用。在硬件加速仿真設計上調試軟件時(shí)，軟件開(kāi)發(fā)人員自然會(huì )采用這種熟悉的工具。

雖然 JTAG 接口讓調試器能夠直接讀取和寫(xiě)入寄存器，但要正確地調試程序，還需要能夠讀取和寫(xiě)入內存并且控制程序的執行。為了滿(mǎn)足這種需求，處理器設計人員添加了調試器可訪(fǎng)問(wèn)的寄存器，以便將內存讀取和寫(xiě)入指令插入到執行管道中。這樣一來(lái)，調試器就能夠完全訪(fǎng)問(wèn)設計中的所有內存和內存映射的器件。

另外，這些設計人員還采用了斷點(diǎn)寄存器和其他調試支持電路，從而令 JTAG 調試器能夠控制程序的執行。這意味著(zhù)，通過(guò)連接至處理器的 JTAG，調試器能夠顯示程序源代碼、處理器的寄存器、內存、變量以及程序的堆棧。因此，調試器能夠設置斷點(diǎn)，運行和單步調試程序，而這些正是軟件開(kāi)發(fā)人員期望現代化軟件調試環(huán)境能夠提供的功能。

處理 JTAG 探針問(wèn)題

雖然 JTAG 探針實(shí)現了在硬件加速仿真設計上的軟件調試，但它也有缺點(diǎn)。第一，JTAG 探針和在硬件加速器中運行的設計都有它們自己的自激時(shí)鐘。為了保持同步，這些時(shí)鐘必須維持一致的速度。如果做不到，調試器和設計之間的連接將會(huì )丟失。

很多情況下，需要重置探針;而有些時(shí)候，還將需要重置設計本身。有時(shí)減慢甚至停止硬件加速器中的設計時(shí)鐘是非常有用的，因為這樣可以采集和上載設計上的波形。這樣一來(lái)，開(kāi)發(fā)人員就能夠查看設計的狀態(tài)，或者對設計進(jìn)行強制賦值，使其變換到新值。實(shí)質(zhì)上，如果硬件加速器上的時(shí)鐘不能減慢或停止，硬件開(kāi)發(fā)人員將會(huì )丟失諸多硬件調試功能。

使用 JTAG 探針存在的第二個(gè)問(wèn)題是性能。由于存在兩個(gè)獨立的時(shí)鐘域，一個(gè)在硬件加速器上，另一個(gè)在探針上，數據將在兩個(gè)域之間傳遞，就會(huì )產(chǎn)生跨時(shí)鐘域問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，探針上的時(shí)鐘速度通常低于處理器的時(shí)鐘速度。在原型板上，處理器的時(shí)針速度可達到幾百兆赫甚至千兆赫，這不是問(wèn)題。但在硬件加速仿真中，時(shí)鐘運行速度為一兆赫或兩兆赫，這可能讓速度減慢很多。

例如，在 ARM Cortex-A57 中分步運行單個(gè)指令，需要超過(guò) 400 萬(wàn)個(gè)比特的 JTAG 掃描鏈活動(dòng)。如果處理器的時(shí)鐘在 2 MHz 的頻率下運行，JTAG 時(shí)鐘的頻率是它的四分之一，也就是 500 kHz，則在分步運行之后，需要 8 秒才能更新調試器中的視圖。

另一個(gè)性能問(wèn)題是程序下載時(shí)間。軟件開(kāi)發(fā)人員使用掃描鏈，通過(guò) JTAG 探針將程序下載到目標。如果程序很大，則將程序加載到存儲器可能要花費一個(gè)小時(shí)甚至更長(cháng)時(shí)間。大多數軟件開(kāi)發(fā)人員無(wú)法接受這種性能水平。

JTAG 事務(wù)處理器

有一種使用 JTAG 調試器的方法可以消除這些問(wèn)題。硬件加速仿真系統能夠通過(guò)電路和硬件加速器內置的編程功能，驅動(dòng)和采樣設計中的任何信號。我們無(wú)需通過(guò) I/O 卡從設計中采集信號，然后使用物理探針予以驅動(dòng)，而是可以使用“事務(wù)處理器”，通過(guò)編程方式驅動(dòng)設計中的 JTAG 信號。與物理探針相同，事務(wù)處理器也可以驅動(dòng)相同的信號，使其變換到相同的值，從而提供相同的調試功能。

由于設計和 JTAG 事務(wù)處理器都在硬件加速仿真系統的控制下，因此時(shí)鐘由硬件加速器控制。時(shí)鐘域可以同步，因此能消除多個(gè)時(shí)鐘的問(wèn)題。