多核環(huán)境中的高效率調試方法

 
毫無(wú)疑問(wèn)，多核多線(xiàn)程是未來(lái)處理器的發(fā)展方向?；厥滋幚砥鞯陌l(fā)展歷程，并行技術(shù)從指令級的超標量發(fā)展到線(xiàn)程級的超線(xiàn)程或者并發(fā)多線(xiàn)程，再到今天處理器級的多內核，總的趨勢都沒(méi)有改變。英特爾、Sun和IBM等大公司目前已經(jīng)投身到多核或者多線(xiàn)程技術(shù)的浪潮之中。當今的網(wǎng)絡(luò )應用日趨復雜，對性能的要求不斷提高，無(wú)論是需求推動(dòng)技術(shù)，還是技術(shù)激發(fā)了新的需求，并行技術(shù)都將是未來(lái)信息基礎設施建設的必然選擇。


對于嵌入式裝置而言，多核技術(shù)可以提供更高的處理器性能、更有效的電源利用率，并且占用更少的物理空間，因而具有許多單核處理器無(wú)法具備的優(yōu)勢。與多核解決方案如影隨形的，就是多處理器技術(shù)，也就是在同一塊電路板或同一個(gè)集成系統中包含多個(gè)處理器。


要想充分發(fā)揮多核以及多處理器解決方案的潛能，僅僅依靠強有力的芯片是不夠的，還需要采用新的編程方法。伴隨著(zhù)新的編程方法，同樣也需要新的調試方法和工具，才能確保軟件和硬件開(kāi)發(fā)人員在完整的多核系統環(huán)境中展開(kāi)調試工作，同時(shí)對“編譯—編輯—調試”的流程進(jìn)行優(yōu)化。


在傳統上，JTAG調試技術(shù)主要是用于硬件Bring-Up，如今也常常被用于配合基于代理的調試（agent-based debugging）。然而，在多核和多處理的環(huán)境中，片上調試（on-chip debugging）正在扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色，因為這種技術(shù)更便于隔離運行在單個(gè)或者多個(gè)內核中不同軟件之間復雜的交互活動(dòng)，從而幫助開(kāi)發(fā)人員對操作系統或者中間件實(shí)施更加有效的調試。

認識多核基本架構


多核處理器在同一個(gè)芯片中植入了多個(gè)處理器引擎，這就可以提供更高的CPU性能、功能特性和分區能力。一般說(shuō)來(lái)，多核有兩種實(shí)現形式。


第一，SMP( Symmetric multiprocessing，對稱(chēng)多處理)。在這種情況下，開(kāi)發(fā)人員面對的是單一的抽象化硬件平臺，由SMP操作系統來(lái)決定具體由哪一個(gè)內核來(lái)運行哪個(gè)任務(wù)，其中每個(gè)內核都是相同的，而且在同一個(gè)操作系統的管理控制之下，共享同一個(gè)內存。


第二，AMP (Asymmetric multiprocessing，非對稱(chēng)多處理)。在這種情況下，各個(gè)處理器內核都運行著(zhù)各自獨立的操作系統。這種獨立性意味著(zhù)，其中各個(gè)處理器內核既可以是同構的，并且運行同樣的操作系統，也可以是異構的并運行各自不同的操作系統。


多核環(huán)境顯著(zhù)增加了系統復雜度，因而在對操作系統和與多核相關(guān)的硬件進(jìn)行調試的時(shí)候，就必須采用一整套更有效的工具。另外，盡管大家都認為多核就是指在同一個(gè)芯片中放入多個(gè)內核，但是在實(shí)際開(kāi)發(fā)工作中所遇到的多處理問(wèn)題，實(shí)際上不僅僅局限于在單一芯片中的多個(gè)內核。事實(shí)上，不論這些處理器內核是在同一個(gè)芯片之中，或者分布在同一個(gè)電路板中的多個(gè)芯片之中，甚至同一個(gè)系統中的多個(gè)電路板之中，開(kāi)發(fā)人員都必須解決好多處理環(huán)境中的調試問(wèn)題。相對于最近出現的單一芯片多核架構，有多個(gè)處理器芯片和多個(gè)處理器電路板組成的復雜系統已經(jīng)存在很多年了。因此，多處理架構的調試問(wèn)題其實(shí)早已存在，只是單一芯片內多核架構的普及將多處理系統調試問(wèn)題更加尖銳地擺在了開(kāi)發(fā)人員面前。


從這個(gè)意義上，多年前就開(kāi)始從事多處理環(huán)境軟件開(kāi)發(fā)的廠(chǎng)商就積累了更豐富的經(jīng)驗，在應對多核軟件開(kāi)發(fā)方面站在了更為有利的地位。例如Wind River公司經(jīng)典的實(shí)時(shí)操作系統VxWorks在多年前最初的設計思路就是基于多處理架構的，因此不論從運行環(huán)境還是開(kāi)發(fā)調試工具任何一方面看，對于多核環(huán)境的適應能力都比其他工具要強得多。

認識多核調試難點(diǎn)


多核與多處理技術(shù)的融合為系統調試帶來(lái)了許多新的挑戰，因為系統復雜度不斷增加，要通過(guò)優(yōu)化硬件和軟件來(lái)充分發(fā)揮其中的性能潛力，難度就更大了。其中最主要的難點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。


* 有效地管理內存和外設等共享資源；
* 在多內核、多電路板和多操作系統的環(huán)境中對操作系統和應用代碼進(jìn)行調試；
* 優(yōu)化JTAG接口并充分利用JTAG帶寬；
* 調試單一芯片中的同構和異構多核，進(jìn)而實(shí)現整個(gè)系統的協(xié)同調試；
* 有效地利用JTAG與基于代理的調試方法，確保不同調試工具之間的順暢協(xié)同；
* 確保多核環(huán)境中應用調試的同步機制。


對于多核JTAG調試來(lái)說(shuō)，有三種主要的技術(shù)選擇：第一，以單一JTAG接口支持所有內核的調試器；第二，在單一JTAG調試接口中采用獨立調試器的JTAG多路（Muxing）技術(shù)；第三，JTAG鏈接器或者可編址掃描端口（Addressable Scan Port）。


在多核調試中，上述三個(gè)技術(shù)途徑都是在處理同一個(gè)核心問(wèn)題——由SoC廠(chǎng)商所提供的JTAG接口所造成的局限性。為了節省成本，許多SoC廠(chǎng)商都只為芯片提供單一的JTAG接口，而不理會(huì )其中包含了多少個(gè)內核。對于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，最大的挑戰就是經(jīng)濟有效地使用這些接口來(lái)同步多核以及多處理的調試工作。其中，單一調試器方式采用IEEE 1149.1標準daisy-chain方法。

認識多核調試方法


對于多核架構來(lái)說(shuō)，單一調試器的主流選項仍然是JTAG多路技術(shù)。這種技術(shù)對IEEE JTAG技術(shù)規范進(jìn)行了拓展，以便為通過(guò)共享JTAG接口連接起來(lái)的每個(gè)內核提供獨立的調試器。在多路技術(shù)的支持下，通過(guò)對希望調試的內核進(jìn)行注冊登記（Registering），開(kāi)發(fā)人員可經(jīng)由單一JTAG接口訪(fǎng)問(wèn)多個(gè)離散狀態(tài)的內核。這種解決方案的最大優(yōu)勢在于它的連接和調試性能。因為多路技術(shù)單獨連接到每個(gè)內核，因而避免了daisy-chaining方法中所遇到的比特位移(bit shifting)方面的麻煩，因而在單芯片中的多核系統中具有更高的性能。這種方式的另一個(gè)好處是不需要對開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行修改，從而可以順暢地應用在多個(gè)開(kāi)發(fā)項目之中。


多路技術(shù)（Muxing）方法所存在的主要問(wèn)題是在多內核調試過(guò)程中無(wú)法同時(shí)啟動(dòng)和停止內核來(lái)同步應用。如果要停止全部?jì)群?，開(kāi)發(fā)人員只能順序地逐個(gè)進(jìn)行，這就導致了調用延遲問(wèn)題。在調試過(guò)程中的延遲問(wèn)題,會(huì )導致很難在內核之間的操作系統、中間件和應用中找到發(fā)生問(wèn)題的確切位置，特別是當運行在不同內核之中的應用存在相互依賴(lài)性的時(shí)候，這個(gè)問(wèn)題就更為突出。例如，某個(gè)產(chǎn)品包含DSP功能和ARM 9內核，其中DSP用來(lái)處理視頻流，ARM 9內核提供文件系統，那么內核的啟動(dòng)與停止同步將會(huì )十分關(guān)鍵。如果調試過(guò)程中在A(yíng)RM內核的啟動(dòng)和DSP的停止之間出現過(guò)多的延遲，DSP視頻流數據很快就會(huì )溢滿(mǎn)ARM文件緩沖區，而視頻流也將會(huì )中止。如果出現這種情況，就很難判斷系統中的問(wèn)題出在哪里。而且，多路進(jìn)程也給開(kāi)發(fā)人員在故障排除時(shí)帶來(lái)了許多新的問(wèn)題，將會(huì )大幅度增加調試時(shí)間。


另外，如果在有多個(gè)廠(chǎng)商產(chǎn)品組成的異構多核環(huán)境中進(jìn)行調試工作，例如處理器來(lái)自一個(gè)廠(chǎng)商，而DSP器件來(lái)自另一個(gè)廠(chǎng)商，還會(huì )有更復雜的問(wèn)題需要處理。因為這種情況下的多路（Muxing）機制更為復雜，如果各部分之間的兼容性沒(méi)有得到保證，也就很難保證系統正常運行。此時(shí)，僅僅依靠多路技術(shù)是無(wú)法解決問(wèn)題的，開(kāi)發(fā)人員就需要采用可編址掃描端口（addressable scan port），這也可能是最后僅有的方法了。這種架構需要用到非常特殊的組件，這些組件可以讓開(kāi)發(fā)人員把JTAG掃描鏈分割成多個(gè)功能組，并通過(guò)唯一的地址來(lái)訪(fǎng)問(wèn)每個(gè)功能組。這是一種多支路（multi-drop）架構，經(jīng)常被用于底板（Backplane）環(huán)境之中。在這里，有一個(gè)分別可編址的掃描鏈在底板內實(shí)現路由（Routed）,從而使機箱中的每個(gè)底板都擁有自己專(zhuān)屬的掃描鏈。這種架構的運行速度受限于可編址掃描端口的速度，最典型的情況是25MHz。


擁有先進(jìn)多核調試工具


Wind River擁有的JTAG加速器和服務(wù)器技術(shù)可以顯著(zhù)降低JTAG序列包之間的空閑時(shí)間，完全充分地利用了可用的JTAG帶寬。與JTAG有關(guān)的另一個(gè)問(wèn)題涉及到調試能力，例如用停止請求信號來(lái)立即停止某個(gè)內核，或者用停止指示信號來(lái)停止某個(gè)內核并同步其他的內核的停止。與其他所有的局限性一樣，這類(lèi)問(wèn)題也依賴(lài)于廠(chǎng)商的實(shí)現方法。


Wind River on-chip debugging(片上調試)解決方案可以同時(shí)啟動(dòng)和停止多個(gè)內核。實(shí)際上，Wind River提供的JTAG解決方案，也就是Workbench On-Chip Debugging，是以集中化的方式來(lái)實(shí)現多核和多處理的調試功能。這個(gè)解決方案可以在單一掃描鏈（Scan Chain）中同時(shí)調試多達8個(gè)內核。而且，不管這些內核處于同一個(gè)芯片之中、分布在線(xiàn)路板中的多個(gè)芯片或者分布在復雜系統中的多個(gè)線(xiàn)路板之中，Workbench On-Chip Debugging都能夠應付自如。


在Wind River的多核解決方案中，開(kāi)發(fā)人員可以同時(shí)停止或者啟動(dòng)任何內核,在一個(gè)或者多個(gè)內核上設置斷點(diǎn)，其中還可以包括條件斷點(diǎn)。此外，Workbench Eclipse框架和基于代理的調試方式使開(kāi)發(fā)人員在單一控制臺上即可管理多內核/多處理應用的開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)人員可以在JTAG調試和基于代理調試二者之間靈活地選擇，例如在硬件Bring-Up、內核、中間件和其他應用功能調試的時(shí)候采用JTAG連接，然后在自己認為適當的時(shí)機平滑地轉移到基于代理的調試，而這些調試工作都是圍繞著(zhù)同一個(gè)應用的。這些能力都會(huì )增加不同開(kāi)發(fā)人員之間的協(xié)同能力，同時(shí)改善異常問(wèn)題的判定效率。

結論


在多核開(kāi)發(fā)中，JTAG調試可以承擔非常有價(jià)值的角色，有效地改善“編輯-編譯-調試”周期時(shí)間。然而，實(shí)現這一點(diǎn)的前提是把JTAG調試與基于標準的集成化開(kāi)發(fā)環(huán)境（例如Eclipse）緊密地集成起來(lái)。最理想的技術(shù)方案是，在Daisy Chain中采用遵從IEEE 1149.1 JTAG標準的單一的JTAG調試器，而JTAG的主要作用是改善系統的吞吐能力和性能。