采用開(kāi)放式芯片協(xié)議(OCP)總線(xiàn)的跟蹤儀器與架構

　　MIPS 科技公司攜手其他業(yè)內領(lǐng)先的嵌入式處理器與 IP 開(kāi)發(fā)商，決定共同采用開(kāi)放式芯片協(xié)議(OCP)插槽作為標準化供應商進(jìn)行片上總線(xiàn)集成的中立方法。本文將就總線(xiàn)級片上儀器(OCI)和支持基于OCP 系統的分析工具進(jìn)行詳盡討論。

　　基于 OCP 的總線(xiàn)可進(jìn)行多種高帶寬操作，在基本數據傳輸的基礎上添加了許多新的特性和功能。這些新性能包括專(zhuān)用總線(xiàn)命令模式、脈沖操作、多數據標簽以及用于增加跟蹤信號數量的擴展能力。附錄中列出的 MIPS24K OCP 接口就是這類(lèi)產(chǎn)品的典型。除了提供基本地址尋址和數據操作的總線(xiàn)接口信號外，OCP 還提供多種可選信號，以調用專(zhuān)用處理器的特定強化功能，如數據排列、脈沖及多線(xiàn)程運行等功能。

　　采用 OCP 這類(lèi)先進(jìn)總線(xiàn)架構的另一個(gè)好處是，它能夠更有效地協(xié)調內部大量集成內核的復雜工作。分析因素包括對給定OCP 接口提出特定的問(wèn)題，以及片上子系統性能等更受全球關(guān)注的問(wèn)題。這些問(wèn)題涵蓋諸如理解和優(yōu)化傳輸效率、延遲、飽和、資源沖突和其他操作選項等可能對處理器元件的性能和運行產(chǎn)生直接影響等因素

　　雖然仿真是開(kāi)發(fā)流程的重要環(huán)節，但無(wú)論是在原型還是在系統級驗證階段，對硬件本身狀況進(jìn)行分析也是同樣重要的環(huán)節，而最終產(chǎn)品本身的硬件分析就更加重要了。在大多數情況下，諸如硬件內嵌入式總線(xiàn)在信息分析中所遇到的問(wèn)題通常是能見(jiàn)度難題 —— 您很難確定自己看不到的問(wèn)題。使用傳統的 JTAG 掃描通常很難解決這個(gè)能見(jiàn)度難題，其原因在于：

　　?由于總線(xiàn)運行的多周期性，在一個(gè)總線(xiàn)運行周期內有些信號會(huì )在不同時(shí)段變得非?；钴S，調試工具應當進(jìn)行連續的跟蹤，而不是單個(gè)周期的瞬態(tài)圖；
　
　　?總線(xiàn)運行問(wèn)題牽涉到至少兩個(gè)通信時(shí)鐘(如處理器和存儲器外設)。傳統的調試方法，如暫停部分系統進(jìn)行測試可能會(huì )帶來(lái)變化并引入新的變量，從而干預測試環(huán)節和過(guò)程；

　　?如果問(wèn)題是間歇性和少量的，那么追蹤操作就應當采用觸發(fā)模式，如實(shí)時(shí)捕獲有重要意義的總線(xiàn)周期信息。

　　目前廣泛采用的具有調試功能的嵌入式OCP 總線(xiàn)方法是在設計中添加片上儀器(OCI)，以改善子系統接口的能見(jiàn)度。OCI 實(shí)際上是一個(gè)專(zhuān)門(mén)用來(lái)高效跟蹤嵌入式信號的IP 子系統。它既不通過(guò) JTAG 端口進(jìn)行緩沖，也不通過(guò)專(zhuān)門(mén)的測試端口流到您的 PC 上以供觀(guān)看。 OCI 能夠提供成功的嵌入式設計所必需的高效跟蹤功能，廣泛應用于調試、嵌入式處理器運行控制和邏輯分析。OCI 解決方案能夠解決片上總線(xiàn)分析中 SoC 的特定問(wèn)題，并為非可見(jiàn)的總線(xiàn)接口提供強大的調試能見(jiàn)度。最近OCI 解決方案已開(kāi)始面市。

　　圖 1 顯示的是一個(gè)基本的多內核架構(雙處理器、存儲器接口和采用通用片上總線(xiàn)的定制化IP)和幾類(lèi)可使該子系統更加簡(jiǎn)化，并可提高調試效率的可添加儀器。圖1 詳盡列出了本文探討的重點(diǎn)——總線(xiàn)監測與跟蹤儀器的組成部分，其他支持或補充的儀器分區可以包含在處理器和邏輯分析調試的地址中。 

　　調試儀器的功能基本可劃分為兩個(gè)主要類(lèi)型：

　　?專(zhuān)門(mén)用于進(jìn)行調試控制、支持特定處理器和其他內核的系統內分析分區；

　　?支持跟蹤和任何用戶(hù)定義信號的更為通用的邏輯分析器分區。
 
　　總線(xiàn)分析通常用來(lái)處理用于通用邏輯分析的同類(lèi)儀器，也能執行總線(xiàn)架構和協(xié)議專(zhuān)用信號信息的線(xiàn)上處理和后處理。應當強調的是，圖中所示的所有儀器都與單個(gè)JTAG 流程鏈關(guān)系緊密，因此需要通過(guò)定制的JTAG 控制器接口進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。通過(guò)同樣的JTAG 接口還能夠訪(fǎng)問(wèn)邊界掃描和其他傳統的JTAG 功能。

　　處理器內核的系統內分析器(ISA)分區能夠為處理器提供特定的運行控制、觸發(fā)硬/軟件斷點(diǎn)監測及實(shí)時(shí)跟蹤指令和數據等操作。
　　FS2 ISA-MIPS 能夠執行以下典型的處理器調試子系統操作：

　　?JTAG 內核的啟動(dòng)、停止、斷點(diǎn)和單步執行；

　　?無(wú)限制的軟件斷點(diǎn)；

　　?多達15個(gè)硬件事件/斷點(diǎn)；

　　?基于指令執行、存儲、IO操作、地址值或地址范圍、操作碼類(lèi)型或級別的觸發(fā)操作；

　　?每個(gè)周期高達64 位的實(shí)時(shí)跟蹤；

　　?執行分支跟蹤信息的跟蹤；

　　?采用指令碼和執行顯示的調試器( 參見(jiàn)圖2 )。

　　為了最有效地利用跟蹤信息，ISA 通常會(huì )采用分支跟蹤信息等壓縮技術(shù)，這樣就能夠使ISA 集中處理指令中斷，從而減少所消耗的存儲器資源。跟蹤信息可以與GDB等調試器軟件工具流程鏈緊密集成，實(shí)現更好的源代碼分析和相關(guān)性。只要設計和資源運用得當，單個(gè)ISA 分區內就能集成不止一個(gè)內核(給定類(lèi)型)，并可作為多內核系統調試中的共享資源。 

　　在大多數設計中，處理器只是需要進(jìn)行系統分析的若干子系統之一。在特殊應用的協(xié)處理器、存儲控制器、外設及其他功能的設計中都包含邏輯分區。邏輯與處理器IP 在調試要求上有幾個(gè)重要區別。

　　邏輯導航器是First Silicon Solutions公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)通用JTAG 兼容邏輯分析器的儀器，其主要功能包括：

　　?負責監測和跟蹤合成過(guò)程中選取的所有用戶(hù)定義信號；

　　?64K跟蹤周期中支持高達256 個(gè)信號(采用片上 RAM)；

　　門(mén)受限的應用的跟蹤范圍最小可達1個(gè)信號×64 個(gè)周期；

　　?任何跟蹤信號和外部觸發(fā)邊緣或水平的組合或連續觸發(fā)；

　　?基于狀態(tài)的順序觸發(fā)器和基于儀器分區資源的計數器觸發(fā)；

　　?同步化多儀器的可選時(shí)間戳記 ~ 制定單周期或擴展時(shí)間跟蹤的時(shí)間戳記，可以設置長(cháng)達48位；

　　?包含一個(gè)可通過(guò)JTAG 端口進(jìn)行調試控制的JTAG 控制通用寄存器。

　　FS2 總線(xiàn)導航器等片上總線(xiàn)分析器能夠為總線(xiàn)運行提供定制化邏輯分析儀器操作?？偩€(xiàn)分析有兩種典型的操作形式 —— 接口跟蹤重要信號的形式(OCP 插槽)或總線(xiàn)結構內的跟蹤形式。OCP具有插槽級跟蹤能力，能夠跟蹤從每個(gè)總線(xiàn)主控路由到總線(xiàn)導航器的輸入多工器的信號。既能一次對一個(gè)總線(xiàn)主控進(jìn)行跟蹤，又能根據特定應用需求對所有總線(xiàn)主控中選定的信號進(jìn)行跟蹤。

　　總線(xiàn)導航器還能確定諸如給定設計的邊帶和可選信號的數據字的大小和數量，以確定合成過(guò)程中RTL 操作的參數，從而實(shí)現給定設計的定制化跟蹤。

　　總線(xiàn)導航器還可像用于基于OCP 狀態(tài)的處理器調試操作的低延遲觸發(fā)那樣，為MIPS調試分區提供直接交叉觸發(fā)接口分區。同樣，處理器輸出也能夠用于總線(xiàn)儀器的可選輸出信號，在處理器操作的基礎上實(shí)現總線(xiàn)啟動(dòng)和停止的低延遲觸發(fā)。

　　為了支持流水線(xiàn)總線(xiàn)操作，給定周期的跟蹤同步、排列指令和響應部分都以單個(gè)周期顯示。這種總線(xiàn)跟蹤查看方式能夠更直觀(guān)地顯示軟件分析中的觸發(fā)與跟蹤。

　　該儀器減少了總線(xiàn)跟蹤的閑置的和“沒(méi)有準備”的周期，保存了對RAM 資源的跟蹤，使跟蹤過(guò)程更便于讀取，而時(shí)間戳記則確保系統與其他調試操作的同步。

　　操作得當的話(huà)，片上儀器能在芯片產(chǎn)品設計的整個(gè)生命周期內直觀(guān)、有效地改善設計的易測性、可維護性和可分析性。要實(shí)現片上調試功能，要求設計人員在硬件驗證過(guò)程中懂得如何運用調試工具，同時(shí)考慮在給定的解決方案中如何將儀器解決方案集成到設計中。

　　用戶(hù)可用到的功能包括：

　　靈活的片上觸發(fā)、跟蹤和性能分析 —當大量數據通過(guò)基于總線(xiàn)的OCP時(shí)，只有某些數據才有用，重要的是訪(fǎng)問(wèn)您所需要的信號。其中一種分析方法就是允許片上性能分析功能監測和發(fā)送摘要信息。例如，您并不需要在每次總線(xiàn)飽和時(shí)都對數據進(jìn)行跟蹤，只有當數據的確需要跟蹤時(shí)才進(jìn)行逐條的跟蹤，這樣就可以只需要使用比較少的性能分析分區。

　　各級片上調試的協(xié)處理與交叉觸發(fā)—如果系統并不是在隔離的條件下工作，就不要采取調試方案?？偩€(xiàn)與處理器運行和性能間存在著(zhù)正相關(guān)的關(guān)系，特別是相互依賴(lài)或完全同步的多內核系統。在設計時(shí)，系統級調試解決方案應該支持其他儀器分區。

　　與其他調試器/驗證工具的集成 —MIPS 處理器軟件工具鏈支持諸如二進(jìn)制指令到源代碼等調試功能。為了充分利用調試信息，儀器環(huán)境應當允許將跟蹤信息通過(guò)某些途徑引入調試器工具。同理，邏輯分析工具業(yè)應該允許將邏輯跟蹤信息通過(guò)某些方法引入仿真工具，以便更簡(jiǎn)便地對實(shí)際邏輯信息和仿真邏輯信息進(jìn)行比較。

　　與內部信號速度保持同步并保持合適的門(mén)大小— 您需要做的最后一件事是將調試分區添加到定時(shí)閉合功能中，或是采用另一個(gè)尺寸的芯片或封裝。調試儀器尺寸可能很小(在某些情況下只有幾千個(gè)門(mén)或更少)也可能很大，特別存在大量復雜觸發(fā)操作或大量跟蹤時(shí)，OCI 應與系統中的其他部分以同樣的速度運行。

　　根據系統不同需要進(jìn)行配置——如果您只需要有限的調試能見(jiàn)度，就不需要一套“豪華”的調試解決方案了。反過(guò)來(lái)，如果要進(jìn)行重大問(wèn)題的調試，就要采用更好的調試解決方案。調試解決方案應該適應開(kāi)發(fā)周期不同階段的不同需要—— 在原型和仿真器階段應使用較大的調試方案，而在量產(chǎn)開(kāi)始階段則使用較小的調試方案 —在不同的產(chǎn)品生命周期里應當選擇相同的功能和接口，但是可以選擇較低的性能和較少的選項。

　　片上儀器不僅局限于IP — 能夠正確解讀所提供的調試信息非常重要，而具備一定的支持級別也是不可或缺的。大部分儀器 IP 的設計初衷是為了支持探針和調試電纜的工作。它們有專(zhuān)用的驅動(dòng)器和用來(lái)格式化，并實(shí)現硬件儀器和跟蹤、控制 GUI (圖3 就是一個(gè)例子)和命令行接口之間通信的API。在定制和集成的解決方案中，標準驅動(dòng)器和API 具備明顯的優(yōu)勢。例如，FS2 就在其儀器方工具中廣泛采用了 Tcl/Tk、MDI、XML和 Eclipse 等軟件標準。

　　結語(yǔ)

　　基于SoC 的復雜器件的測試和分析方法正在經(jīng)歷著(zhù)巨大轉變，一些新型片上儀器正不斷成為整體解決方案的組成部分。像MIPS24K 這種具有OCP多功能總線(xiàn)的性能的處理器堪稱(chēng)片上分析能力中的典范，是那些領(lǐng)先的尖端數字平臺所必需的。 


　
　　作為該技術(shù)前沿的領(lǐng)導廠(chǎng)商，First Silicon Solutions與 MIPS 科技公司自從1998年開(kāi)始緊密合作，為現有的MIPS內核推出了最先進(jìn)的運行控制與跟蹤工具。其導航器儀器產(chǎn)品增加了OCP總線(xiàn)分析功能，能夠為MIPS 和其他OCP 兼容內核提供更高水平的分析和嵌入式系統調試性能。First Silicon Solutions提供的調試功能支持所有MIPS兼容產(chǎn)品的跟蹤和領(lǐng)先的MIPS 調試器，它終將成為領(lǐng)先的片上儀器專(zhuān)家，根據客戶(hù)的特殊需求提供從片上儀器到SoC 調試和分析的全線(xiàn)解決方案。