解析基于SoC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試

　調(diào)試復(fù)雜電子系統(tǒng)從來就不是一項(xiàng)簡單的工作，但至少是可以實(shí)現(xiàn)的，您要找到問題的所在。采用您最相信的“示波器”，通過模擬電路到數(shù)字轉(zhuǎn)換，您可以追溯到問題的源頭。然后，編寫測試小程序，檢查驅(qū)動(dòng)和外設(shè)，增加一些邏輯探針，再回到外設(shè)控制器和CPU總線上，從而最終解決問題。當(dāng)然，這需要利用別人的一些代碼。

　　而芯片系統(tǒng)（SoC）集成從根本上改變了這一切。今天，微處理器、總線、外設(shè)控制器以及大部分存儲器和模擬電路都被包封在一個(gè)封裝中。它可以是ASSP、高級微控制器、FPGA，或者您自己設(shè)計(jì)的ASIC。不論SoC是什么，事實(shí)上是，除非芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)愿意幫助您，否則，您不可能深入地了解芯片內(nèi)部。

　　在嵌入式CPU中調(diào)試硬件，為您提供斷點(diǎn)和準(zhǔn)實(shí)時(shí)跟蹤等傳統(tǒng)調(diào)試功能，從而幫助您完成調(diào)試工作。但是，對于他們自己，調(diào)試內(nèi)核也只是給出了您系統(tǒng)的CPU外觀視圖。如果不能針對系統(tǒng)總體狀態(tài)來更廣泛的定義某一事件，那么，當(dāng)事件發(fā)生后，您可能需要編寫診斷短代碼，使系統(tǒng)暫時(shí)停止工作，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫回CPU。這一過程最好的情況是僅僅耗費(fèi)了您的時(shí)間，而最差的情況是，耗費(fèi)了時(shí)間卻不一定能解決問題，效率非常低。

　　硅片知識產(chǎn)權(quán)（IP）供應(yīng)商提供越來越精細(xì)的SoC儀表調(diào)試手段，從而解決了這一難題。但是，當(dāng)今的產(chǎn)品是個(gè)性化的，而不是標(biāo)準(zhǔn)化的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要在芯片設(shè)計(jì)早期階段獨(dú)立作出選擇，而另一公司的其他團(tuán)隊(duì)則根據(jù)產(chǎn)品能否及時(shí)面市、管芯面積等來確定自己的目標(biāo)，并不關(guān)心能否方便的進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。而芯片設(shè)計(jì)人員、軟件開發(fā)人員和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員等參與者還是有一個(gè)共同點(diǎn)——互相協(xié)作，在系統(tǒng)級找到問題所在。

　從一開始就做好規(guī)劃

　　實(shí)際上早已決定了您是否能夠成功的找到系統(tǒng)中的問題——兩年前，在您目前正在使用的SoC的開發(fā)階段。Brad Quinton是泰克公司嵌入式驗(yàn)證的首席規(guī)劃師，他認(rèn)為在芯片設(shè)計(jì)早期階段進(jìn)行規(guī)劃非常關(guān)鍵，不僅僅是能夠充分探查芯片，而且還涉及到采用什么樣的調(diào)試硬件。然而，這并不常見。

　　芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的確在測試結(jié)構(gòu)中開展了前端工作，但卻是出于其他原因。芯片中置入了測試設(shè)計(jì)和內(nèi)置自測試硬件來支持IC測試。但是，這些資源并不是用于調(diào)試，一般只提供很少的診斷信息。芯片設(shè)計(jì)人員會(huì)專門針對硅片開發(fā)團(tuán)隊(duì)而內(nèi)置工具，但是，這些工具可能只有內(nèi)部文檔，硅片一旦發(fā)布后，就會(huì)禁用這些工具。高速串行端口上會(huì)有邊界掃描，甚至是非常復(fù)雜的儀表功能，必須在系統(tǒng)中對其進(jìn)行調(diào)整。但是，這些手段是為了在電路板級建立并驗(yàn)證連接能力，而不是用于系統(tǒng)調(diào)試。

　　Quinton質(zhì)疑，雖然這些結(jié)構(gòu)非常有用，但是芯片設(shè)計(jì)人員會(huì)有更多的問題。Quinton認(rèn)為，“從系統(tǒng)級進(jìn)行考慮。關(guān)鍵接口、高級狀態(tài)機(jī)在哪里？通過掌握哪些信息您能夠知道哪一子系統(tǒng)正在工作？”

　　這些思考導(dǎo)致某些IP供應(yīng)商開發(fā)了一類新模塊：在SoC中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)儀表和控制器，不僅供設(shè)計(jì)芯片的IC團(tuán)隊(duì)使用，而且還有使用它的系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，如圖1所示。

　　圖1 片內(nèi)調(diào)試電路本身會(huì)成為實(shí)際的設(shè)計(jì)。

　　從不同的方向開始工作，兩類供應(yīng)商驗(yàn)證了這一發(fā)展趨勢。ARM擴(kuò)展了其CPU內(nèi)核調(diào)試內(nèi)核CoreSight，涵蓋了多核SoC的大部分工作，而現(xiàn)在是泰克一部分的Quinton Veridae從儀表模塊開始，集中開發(fā)觸發(fā)器/蹤跡控制器，包括了CPU調(diào)試內(nèi)核。這兩種方法對于系統(tǒng)調(diào)試人員都非常寶貴。這都為在SoC基礎(chǔ)上擴(kuò)展可探查性提供了重要的理念。

　　數(shù)據(jù)源

　　雖然您想立即開始在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中加入各種各樣的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，而Quinton首先提出了一些基本問題。誰會(huì)使用調(diào)試功能：應(yīng)用編程人員、模擬設(shè)計(jì)人員，還是機(jī)械工程師？他們會(huì)在哪一抽象等級上來定義事件；功能調(diào)用、信噪比、扭矩讀數(shù)？這些用戶會(huì)怎樣做：確定他們的代碼熱點(diǎn)、找到瞬變噪聲，或者知道驅(qū)動(dòng)桿為什么失效？只有您理解了問題所在，才能夠找到解決問題的數(shù)據(jù)。

　　Quinton認(rèn)為，現(xiàn)在的技巧是確定在哪里收集數(shù)據(jù)。很明顯，首先是在源頭采集所有數(shù)據(jù)：A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）輸出、狀態(tài)寄存器、網(wǎng)絡(luò)接口等。當(dāng)然，您希望盡可能獲得接近源頭的一些信息，例如，受控物理器件的狀態(tài)等。

　　但是，在其他情況下，事先考慮好在哪里采集數(shù)據(jù)可以減少測量開銷，以及后分析所需要的數(shù)據(jù)量。Quinton建議，“找到關(guān)鍵地方來觀察系統(tǒng)。在一點(diǎn)上所通過的系統(tǒng)狀態(tài)量會(huì)讓人感到驚訝：例如，CPU與系統(tǒng)總線的接口。”

　　在哪里對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣也取決于用戶所希望的抽象級。例如，可能是通過PCI Express （PCIe）總線的系統(tǒng)交換信息等。探查串化器/解串器（SERDES）和PCIe控制器，使您能夠獲得底層協(xié)議層工作的詳細(xì)信息，這對于總線接口調(diào)試非常重要。但是，如果您希望總線接口能夠正常工作，觀察信息流，那么，您最好監(jiān)視主存儲器中的緩沖，而忽略總線控制器。
問題的相對性

　　一旦找到了您需要的數(shù)據(jù)，確定了要在系統(tǒng)中的哪些地方來提取這些數(shù)據(jù)，那么，您需要收集數(shù)據(jù)，知道數(shù)據(jù)與時(shí)間的相關(guān)性，找到觸發(fā)模式，采集您希望保存的數(shù)據(jù)，從系統(tǒng)中提取出這些數(shù)據(jù)，送入分析工具中。在分立系統(tǒng)中，這一過程相對簡單：所有工作都可以回到邏輯分析儀中完成，分析儀提供統(tǒng)一時(shí)間基礎(chǔ)。在基于SoC的系統(tǒng)中，您可能希望把所有數(shù)據(jù)送回SoC的中心模塊中，如圖2所示。好消息是，泰克和ARM的IP簡化了這一過程。

　　圖2 完整的片內(nèi)調(diào)試系統(tǒng)結(jié)合了傳統(tǒng)的CPU內(nèi)核調(diào)試和數(shù)據(jù)采集站以及信息路由，提供將數(shù)據(jù)從芯片中輸出的方法。

　　但是，使用IP帶來了新問題。中心模塊和電路板另一側(cè)芯片之間的延時(shí)會(huì)有十幾個(gè)時(shí)鐘周期。即使在芯片內(nèi)部，也會(huì)有數(shù)十個(gè)時(shí)鐘域，當(dāng)您跨過時(shí)鐘域邊界時(shí)，延時(shí)會(huì)增加很多CPU周期。您怎樣知道兩路數(shù)據(jù)是同時(shí)的呢？

　　如果您要開發(fā)自己的調(diào)試工具，那么，這會(huì)很難。您可以估算數(shù)據(jù)采集模塊和中心控制器之間的傳播延時(shí)，然后，對數(shù)據(jù)流進(jìn)行后處理，使其對齊。但是，這一方法難以解決時(shí)鐘域交叉的非確定性延時(shí)問題。您可以分配一路主時(shí)鐘，使用它對您采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間戳處理，但是，這需要很大的電路開銷。泰克等提供的商用解決方案同時(shí)使用了硬核IP和軟件算法，在底層自動(dòng)完成所有這些工作。通過這些算法，可以在一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的視圖中看到SoC不同時(shí)鐘域和不同物理位置上的事件，通常會(huì)發(fā)現(xiàn)意外的系統(tǒng)行為。

　　即使是自動(dòng)完成，仍然會(huì)有變化。如果把在系統(tǒng)中不同部分同時(shí)發(fā)生的小事件作為觸發(fā)器，只定義這類事件——例如，ADC輸出等于0，而一個(gè)CPU內(nèi)核進(jìn)入某一中斷服務(wù)例程，那么會(huì)出現(xiàn)什么情況？如果事件不僅僅涉及到不同的地方，而且還有不同的抽象級——例如，串行端口的接收眼圖閉上后，出現(xiàn)了堆棧上溢，又會(huì)怎樣呢？Quinton把這類跨域分配事件觸發(fā)描述為系統(tǒng)觸發(fā)的“圣杯”。正如這一隱喻所示，很難找到合適的解決方案。但是，采集了足夠的數(shù)據(jù)，經(jīng)過認(rèn)真思考，構(gòu)建能夠采集這類復(fù)雜事件的本地觸發(fā)器，通常能夠?qū)崿F(xiàn)這些解決方案。

　　從芯片到系統(tǒng)

　　我們詳細(xì)討論了芯片級調(diào)試功能，它比簡單的CPU調(diào)試內(nèi)核有很大的進(jìn)步。對于開發(fā)自己的SoC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，這些數(shù)據(jù)非常有用。但是，其他人會(huì)怎樣，誰會(huì)使用他人的芯片設(shè)計(jì)？這里的很多理念仍然能發(fā)揮作用。

　　其中最首要的是重視提前做好規(guī)劃：確定用戶及其使用環(huán)境，制定測試策略，回答這些用戶可能提出的問題，規(guī)劃數(shù)據(jù)采集來支持這一策略。最大的不同是，芯片設(shè)計(jì)人員會(huì)提出這些問題，然后，在他們的SoC中開發(fā)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也會(huì)提出問題，然后，通過SoC供應(yīng)商所提供的工具以及他們的支持來解答問題。

　　相應(yīng)的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)至少會(huì)向他們的SoC供應(yīng)商提出三類很難的問題。第一，芯片供應(yīng)商會(huì)提供調(diào)試工作臺——例如，Tektronix或者ARM主軟件包，來控制SoC的調(diào)試硬件嗎？主軟件包能夠很好的適應(yīng)您現(xiàn)有的系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境嗎？

　　第二，硬件實(shí)際接觸SoC中的哪一點(diǎn)？您只獲得了一個(gè)CPU內(nèi)核的觸發(fā)/跟蹤功能，或者芯片提供CPU、加速器、總線和外設(shè)控制器的擴(kuò)展采集，跟蹤以及交叉觸發(fā)功能嗎？第三，調(diào)試子系統(tǒng)會(huì)提供哪些方法來觀察系統(tǒng)中其他芯片和器件的狀態(tài)？

　　這些問題的答案會(huì)定義系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)連接哪類外部測量設(shè)備工作臺，在哪些工作臺上能夠?qū)崿F(xiàn)他們的系統(tǒng)調(diào)試計(jì)劃。在這么多的系統(tǒng)工程中，關(guān)鍵是要盡早地開始對調(diào)試進(jìn)行規(guī)劃——在工程的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段。沒有足夠的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，就開始調(diào)試基于SoC的系統(tǒng)，是不明智的，很快這種場景就會(huì)很難維持下去的。