多核調試新方法探討

美國風(fēng)河系統公司 韓青

　　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，因而具有許多優(yōu)勢。
　　要想充分發(fā)揮多核以及多處理解決方案的潛能，僅僅擁有高性能的芯片是不夠的，還需要采用新的編程方法、調試方法和工具。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。

多核軟件調試的難點(diǎn)所在

　　多核環(huán)境顯著(zhù)增加了系統復雜度，因此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。在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)工作中，多核主要呈現為多處理的形式，而這些處理器的內核不一定要處在同一個(gè)芯片之中。不論這些處理器內核是在同一個(gè)芯片之中，或者是分布在同一個(gè)電路板中的多個(gè)芯片之中，甚至是同一個(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。
　　多核與多處理技術(shù)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。其中最主要的挑戰來(lái)自以下幾個(gè)方面：第一，有效地管理內存和外設等共享資源；第二，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；第三，優(yōu)化JTAG接口并充分利用JTAG帶寬；第四，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；第五，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；第六，確保多核環(huán)境中應用調試的同步機制。
　　在多核調試中，主要是在解決一個(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，而經(jīng)常用到的就是采用IEEE 1149.1標準daisy-chain方法。
在JTAG接口中有4條線(xiàn)：TDI、TDO、TCK和TMS。為了在多核調試中能夠與LTAG接口相連，主要涉及到TDI和TDO。在daisy-chain中，前一個(gè)內核的輸出被連接到后一個(gè)內核的輸入，以這種方式連接，直到抵達所有的內核。daisy-chain方法是基于標準的，得到了廣泛的應用，并且在所有的多核環(huán)境中都是有效的。
　　在daisy-chain方法中，JTAG調試器利用JTAG服務(wù)器的軟件接口來(lái)解決多核環(huán)境中經(jīng)常遇到的JTAG連接受限問(wèn)題。不論內核位于何處，JTAG服務(wù)器都可通過(guò)JTAG接口來(lái)實(shí)現每個(gè)內核的編址。JTAG服務(wù)器也幫助開(kāi)發(fā)者實(shí)現同一個(gè)JTAG下的內核同步、進(jìn)程的起始與停止以及連接的增加和移除，而且不會(huì )影響到掃描鏈（Scan-Chain）中的處理器或整個(gè)系統。這種方法可以保持精確的時(shí)鐘，同時(shí)為跨越多個(gè)內核的不同操作系統或者同一個(gè)操作系統中不同進(jìn)程的調試提供便利，而daisy-chain方法的核心目標是性能和JTAG帶寬的充分利用。
　　daisy-chain方法中JTAG的主要問(wèn)題是在Shift-IR階段發(fā)送的數據量取決于在掃描鏈中發(fā)出數據的裝置數量以及每個(gè)設備的IR長(cháng)度。例如，在一個(gè)包含3個(gè)裝置的daisy-chain中訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)8位IR寄存器需要24Bit的數據量。這類(lèi)問(wèn)題對于DR同樣存在，但由于一個(gè)處于bypass模式的裝置在Shift-DR階段實(shí)際上只需要1bit的數據，從而使這類(lèi)問(wèn)題的影響變得比較小。如果JTAG服務(wù)器能夠設計得恰如其分，幾乎就可以避免對性能造成任何影響。這也正是Wind River所提供的JTAG解決方案的最大特色。

OCD是多核調試利器

　　單一調試器的主流方法仍然是JTAG多路技術(shù)。這種技術(shù)對IEEE JTAG標準規范進(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)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，這就引發(fā)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)商芯片組成的異構多核環(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。
　　總之，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。在On-Chip Debugging(片上調試)方面，Wind River可以提供獨有的能力，在其產(chǎn)品中有效地集成了基于代理的調試技術(shù)，從而幫助開(kāi)發(fā)人員，即使在面臨非常復雜的系統時(shí)，也可以極大地改善調試工作效率。
　　利用Wind River提供的JTAG解決方案，也就是Workbench On-Chip Debugging，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，從而加快整個(gè)開(kāi)發(fā)與調試進(jìn)程。