多核調試方案加速開(kāi)發(fā)進(jìn)程
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與多核解決方案相提并論的是多處理器技術(shù)，即在單塊電路板或一個(gè)集成系統中包含多個(gè)處理器。為充分發(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，還需要采用新的調試方法和工具，以幫助軟件和硬件開(kāi)發(fā)人員在完整的多核系統環(huán)境中高效地進(jìn)行調試工作，進(jìn)而對“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，近來(lái)也常常被用于配合基于代理的調試(agent-based debugging)。不過(guò)，在多核和多處理的環(huán)境中，片上調試(on-chip debugging)正扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色，因為這種技術(shù)可隔離運行在單個(gè)或多個(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)人員對操作系統或中間件實(shí)施更加有效的調試。
多核處理器在單個(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、功能特性和分區選項。多核處理器通常有兩種實(shí)現形式：第一種是對稱(chēng)多處理(SMP)。在這種情況下，開(kāi)發(fā)人員面對的并非是多個(gè)內核，而是單一的抽象化硬件平臺，由SMP操作系統決定具體由哪一個(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。第二種是非對稱(chēng)多處理(AMP)。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)，系統中的各個(gè)處理器內核既可以是同構的(運行同樣的操作系統)，也可以是異構的(運行各自不同的操作系統)。
由于多核環(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。盡管傳統的多核是指在單個(gè)芯片中放入多個(gè)內核，但是在實(shí)際開(kāi)發(fā)工作中所遇到的與多核有關(guān)的問(wèn)題，實(shí)際上不僅僅局限于在單一芯片中的多個(gè)內核。調試工作中的問(wèn)題常常呈現為多處理的形式，而這些處理器的內核卻不一定是在同一個(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。在一個(gè)非常復雜的系統中，開(kāi)發(fā)人員很可能面臨著(zhù)系統中的多個(gè)CPU板采用了多內核和多處理器技術(shù)的問(wèn)題。
多核與多處理技術(shù)帶來(lái)了許多新的調試挑戰，因為系統復雜度不斷增加，以及要求通過(guò)優(yōu)化硬件和軟件來(lái)充分發(fā)揮多核的性能潛力，難度就更大了。其中最主要的挑戰來(lái)自以下幾個(gè)方面：
如何有效地管理內存和外設等共享資源；
如何在多內核、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；
如何優(yōu)化JTAG接口并充分利用JTAG帶寬；
如何調試單個(gè)芯片中的同構和異構內核，進(jìn)而實(shí)現整個(gè)系統的協(xié)同調試；
如何有效地利用基于代理的JTAG調試方法，并確保不同調試任務(wù)之間的平滑過(guò)渡；
如何確保多核環(huán)境中應用系統調試的同步機制。
對于多核JTAG調試來(lái)說(shuō)，有三種主要的技術(shù)選擇：以單一JTAG接口支持所有內核的調試器；在單一JTAG調試接口中采用獨立調試器的JTAG多路技術(shù)；JTAG鏈接器或可編址掃描端口(addressable scan port)。在多核調試中，上述三種技術(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)，最大的挑戰就是成本有效地使用這些接口來(lái)同步多核以及多處理器的調試工作。其中，單個(gè)調試器方式采用IEEE 1149.1標準菊花鏈(daisy chain)方法。
JTAG接口是4線(xiàn)：TDI、TDO、TCK和TMS。為了在多核調試中能夠與LTAG接口相連，需用到的是TDI和TDO。在菊花鏈中，第一個(gè)內核的輸出被連接到第二個(gè)內核的輸入，以此類(lèi)推，直到連接了所有的內核。被廣泛應用的菊花鏈方法是基于標準的，并且在所有的多核調試環(huán)境中都是有效的。也就是說(shuō)，不管是單個(gè)芯片中的多核、同一電路板中的多個(gè)CPU以及復雜系統中的多個(gè)CPU，菊花鏈方法都是有效的。在移動(dòng)電話(huà)以及許多消費電子產(chǎn)品中十分常見(jiàn)的異構環(huán)境(不止一種處理器，也不止一種操作系統)中，菊花鏈也十分有效。
在菊花鏈方法中，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)器還幫助開(kāi)發(fā)者實(shí)現同一JTAG時(shí)鐘下的內核同步、進(jìn)程的起始與停止，以及連接的增加和移除，而且不會(huì )影響到掃描鏈中的微處理器或器件。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同一操作系統中不同進(jìn)程的調試提供便利。而菊花鏈方法的核心目標是充分利用性能和JTAG帶寬。
菊花鏈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)出數據的設備數量以及每個(gè)設備的IR長(cháng)度。例如，在一個(gè)包含3個(gè)設備的菊花鏈中訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)8位IR寄存器需要24位的數據量。這類(lèi)問(wèn)題對于DR同樣存在，但由于一個(gè)處于旁路(bypass)模式的設備在Shift-DR階段僅需1位的數據，從而減小了這類(lèi)問(wèn)題的影響。
如果JTAG服務(wù)器能夠設計得十分恰當，則幾乎可以避免對性能造成任何影響。這也正是Wind River所提供的JTAG解決方案的最大特點(diǎn)。Wind River提供的JTAG加速器和服務(wù)器技術(shù)可以顯著(zhù)減小JTAG序列包之間的空閑時(shí)間，完全充分地利用可用的JTAG帶寬(如圖2所示)。
與JTAG服務(wù)器有關(guān)的另一個(gè)問(wèn)題涉及調試性能，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)內核并同步其它內核的停止動(dòng)作。與其它所有的局限性一樣，這類(lèi)問(wèn)題也依賴(lài)于供應商的實(shí)現方案。例如，Wind River Workbench片上調試解決方案就可以同時(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(即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。該解決方案可在單個(gè)掃描鏈中同時(shí)調試多達8個(gè)內核，而不管這些內核是處于單個(gè)芯片、電路板或是復雜的系統配置中。
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)(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)人員可在單一控制臺上管理多內核/多處理開(kāi)發(fā)項目。開(kāi)發(fā)人員可以在JTAG調試和基于代理的調試之間靈活地選擇，例如在硬件Bring-Up、內核、中間件和其它應用功能調試的時(shí)候采用JTAG連接，然后在適當的時(shí)候平滑地轉移到基于代理的調試，而所有這些調試工作都是圍繞著(zhù)同一個(gè)應用的。這些功能會(huì )增強不同開(kāi)發(fā)人員之間的協(xié)作能力，并改善解決問(wèn)題的效率。
單個(gè)調試器采用的主流方法仍然是JTAG多路技術(shù)。這種技術(shù)對IEEE JTAG標準規范進(jìn)行了擴展，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)對待調試的內核進(jìn)行注冊，開(kāi)發(fā)人員可經(jīng)由單一JTAG接口訪(fǎng)問(wèn)多個(gè)離散的內核。這種解決方案的最大優(yōu)勢在于它的連接和調試性能。由于多路技術(shù)單獨連接到每個(gè)內核，因而避免了菊花鏈方法中比特位移(bit shifting)的麻煩，并在單個(gè)芯片上提供了更高的性能。這種解決方案的另一個(gè)好處是不需要對開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行修改，這使得它可以有效地應用在多個(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)人員只能逐個(gè)順序進(jìn)行，這就引發(fā)了調用延遲問(wèn)題。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、中間件和應用軟件中找到問(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。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的停止之間出現較大的延遲，DSP視頻流數據就會(huì )很快溢出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 )大幅增加調試時(shí)間。
如果在由多家供應商器件組成的異構環(huán)境中進(jìn)行調試(例如處理器來(lái)自一家廠(chǎng)商，而DSP器件來(lái)自另一家廠(chǎng)商)，則會(huì )出現更復雜的問(wèn)題。在這種情況下，多路機制更為復雜，如果各部分之間的兼容性未得到保證，就很難保證系統正常運行。當多個(gè)內核運行在一個(gè)系統上時(shí)，這一問(wèn)題更加混亂。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)人員還需要采用可編址掃描端口(addressable scan port)。這種架構需采用非常專(zhuān)有的組件，開(kāi)發(fā)人員用這些組件將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。這種多支路(multi-drop)架構經(jīng)常被用于背板環(huán)境中，在那里，一個(gè)單獨的可編址掃描鏈在背板上實(shí)現路由，從而使機箱中的每塊電路板都擁有自己專(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，典型情況下為25MHz。
在多核開(kāi)發(fā)中，JTAG調試可以擔當非常有價(jià)值的角色，有效地改善“編輯-編譯-調試”周期時(shí)間。但是，實(shí)現這一點(diǎn)的前提是將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，在菊花鏈中采用遵從IEEE 1149.1 JTAG標準的單個(gè)JTAG調試器，而JTAG的主要作用是改善系統的吞吐能力和性能。Wind River提供的獨有片上調試能力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效率。
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