面向Xilinx嵌入式處理器的完整調試方案

FPGA最大的優(yōu)點在于其靈活性，可激發(fā)設計人員創(chuàng)造出無數(shù)不同的設計。然而，設計調試通常最后才加以考慮——如果還加以考慮的話，因此調試器通常要適應系統(tǒng)的要求。

好消息是一家在嵌入式領域耕耘近30年的公司推出了一款調試器，它對于解決所有您能想象得到的問題，甚至包括那些您都不愿意去聽到的問題具有豐富的經驗。在本文中，我們將通過一些例子說明Lauterbach公司的TRACE32調試器所具有的功能，這些功能將節(jié)省您的時間，甚至保全您的項目。

面向靈活平臺的靈活調試

談到靈活設計，我們想到了客戶推出的一套十分有趣的系統(tǒng)。該系統(tǒng)在VirtexTM-5 LX50T器件上集成兩個Xilinx®MicroBlazeTM處理器核和一個內部block RAM存儲器塊。這種設計的特殊之處在于每個MicroBlaze處理器只有一個與block RAM模塊相連的I-side接口以實現(xiàn)指令提取。Block RAM的另一個存儲端口被連接到PCI Express接口上，以便在運行時遠程改變應用代碼和啟動處理器。在此面臨的挑戰(zhàn)在于如何在調試器無法讀寫的存儲器區(qū)域進行調試，因為在存儲器區(qū)域MicroBlaze處理器本身無法進行加載/存儲操作。

我們利用TRACE32的內部“虛擬存儲器”來解決這個問題，這個調試器內部的仿真存儲器具有無限的地址空間(64位)，可以按照需要分配存儲容量。我們將目標程序加載到這個虛擬存儲器中，并且通過配置調試器的內部地址轉換機制將無法讀取的目標存儲器映射到虛擬存儲器上。這使得甚至可在匯編級上進行程序診斷。

但是這里面臨著另外一個挑戰(zhàn)：為了實現(xiàn)程序的按步執(zhí)行，特別是高級語言行以及條件分支，人們通常使用軟件斷點。由于無法通過MicroBlaze處理器訪問Block RAM，顯然無法做到這一點。我們的解決方案是提供“map.break”指令，強制調試器在給定的地址范圍內使用硬件斷點。映射指令還可使您指定存儲器的數(shù)據(jù)寬度，更改大小頭特性，或者完全禁止調試器訪問某些具有關鍵外設寄存器的地址范圍。

小而有用的功能

Lauterbach在JTAG調試器和仿真器方面的經驗充分體現(xiàn)在TRACE32調試器的功能以及其他諸多微小和意想不到的細節(jié)中。考慮到Lauterbach完全利用自身工具開發(fā)所有軟件，這一點并不奇怪。而日常出現(xiàn)的問題通常會激發(fā)人們設計出最有用的功能。

您是否曾經需要在調試階段關掉煩人的計時器中斷處理器，或者在無需重啟的情況下改變條件分支?是否曾經需要修補循環(huán)以觀察處理器核是否正確執(zhí)行外部存儲器給出的指令?內置的匯編器正可實現(xiàn)這些功能。

另一個調試中常見的情況是：是否經常在某個程序行走得太遠而不得不重新開始?寄存器恢復功能可以取消最后的操作。

TRACE32通過不間斷地每秒10次的存儲器重讀來顯示存儲器的內容，甚至在處理器停止的時候也不停止重讀。為什么它要這么做呢?可能在一秒鐘內，您的系統(tǒng)中不間斷運行的MicroBlaze處理器就造成了數(shù)據(jù)破壞，所以您希望能夠監(jiān)測這一點。也可能在某些時候不穩(wěn)定的存儲器造成了屏幕閃爍。又或者是您的JTAG接口在20MHz時并不那么穩(wěn)定。這些都是您期望知道的。另一方面，TRACE32確保它只會在需要的時候訪問存儲器。

談及外設，我們還應該提到外設寄存器文件。這些文件指定了存儲器映射的寄存器的位置、寬度，甚至按位編碼，并且將它們分組成寄存器樹。這樣，可以很容易地訪問外設寄存器以進行檢查及修改：您點擊一下即可關掉DMA控制器，而無需仔細閱讀目標手冊以找到正確位。調試器給出了標準外設的規(guī)格說明，但是您可以使用簡單的文本編輯器修改這些文件以滿足您的要求。對于Xilinx工具鏈，插件選項可以生成這些文件，并將其作為Xilinx構建過程的一部分。

靈活IDE

TRACE32提供了功能強大的圖形用戶界面(GUI)，并且其命令行的使用非常高效：屏幕下方就有調試器命令行，并且?guī)缀跛械腉UI功能都可以通過命令行—從而通過腳本實現(xiàn)。這使得可實現(xiàn)所有常規(guī)任務的自動化，包括目標配置，窗口布局，以及將它們分配在多個虛擬屏幕中。最好的是，不像許多IDE一樣，這些窗口沒有docking特性，但也可以任意放置以及更改這些窗口的尺寸，甚至重疊。同時還可與不同的IDE聯(lián)用，例如您可以從您的Eclipse環(huán)境中直接調用TRACE32。

圖1　連接到Xilinx ML507電路板的Lauterbach TRACE32調試和跟蹤電纜

連接多核目標

另一個有趣的功能是Lauterbach調試多核目標的直觀方式。比如為每個核提供GUI，并且使它們共用一根調試電纜。這對于包含了PowerPC和MicroBlaze內核的異構系統(tǒng)或采用TRACE32所支持的50-plus處理器架構的其他系統(tǒng)而言同樣有效(圖1)。

TRACE32與Xilinx平臺電纜所使用的同一JTAG連接器連接，并且適用于任何由Xilinx嵌入式開發(fā)套件(EDK)創(chuàng)建的設計。對于PowerPC而言，也支持使用專用的調試連接器。

對于多核系統(tǒng)，內核的同步啟動和關斷是一個問題。要想在硬件中支持這一點，例如在多MicroBlaze處理器配置中，調試器應利用硬件功能實現(xiàn)周期精確同步，否則同步是在軟件中完成。集成腳本語言了解多核情況，從而允許通過一個主腳本完成所有GUI控制，包括將調試器連接到相應的內核并進行復位，以及下載并啟動應用程序。

實時程序流和數(shù)據(jù)跟蹤

實時跟蹤的主要功能是記錄程序流，即處理器所執(zhí)行的每一條指令以及數(shù)據(jù)的處理。對于MicroBlaze處理器，這是通過Xilinx Platform Studio中的XilinxMicroBlaze跟蹤內核(XMTC)來實現(xiàn)的。XMTC集成了一個跟蹤編碼器，其中包含一個連接到MicroBlaze處理器跟蹤端口(包含近200個未編碼信號)的輸入接口。

圖2　顯示跟蹤、代碼覆蓋和函數(shù)調用圖等窗口的Lauterbach TRACE32 IDE

圖3A　面向XilinxSpartan-3E FPGA電路板的Lauterbach Mictor MicroBlaze跟蹤適配器

圖3B　面向XilinxMLx電路板的Lauterbach Mictor MicroBlaze跟蹤適配器

它還包含一個提供21信號編碼跟蹤的輸出接口。

跟蹤硬件提供了多達512MB的外部高速跟蹤存儲器，可用于替換稀有的片上存儲資源存儲跟蹤信息。跟蹤功能也可支持PowerPC架構。此外，還具有更多的高級功能，包括靜態(tài)函數(shù)和任務運行時間分析、變量訪問、代碼覆蓋率分析等(圖2，圖3A和3B)。

操作系統(tǒng)支持

在MicroBlaze處理器上，TRACE32為μClinux和Linux提供了一個所謂的內核敏感模塊。對于PowerPC而言，可支持更多的操作系統(tǒng)，包括QNX，VxWorks以及Nucleus PLUS。這些擴展功能使得調試器可以知道目標中的內核相關數(shù)據(jù)結構。這使得可以利用進程指定斷點和程序控制實現(xiàn)進程級調試。其他功能包括支持完整的MMU，諸如加載的內核模塊或者掛載的文件系統(tǒng)等Linux系統(tǒng)資源的實時、非侵入式顯示，任務運行時間的統(tǒng)計評估和圖形顯示，以及函數(shù)運行時間的任務相關評估。

總結

Lauterbach TRACE32為所有Xilinx器件系列上的PowerPC和MicroBlaze處理器提供了完整的調試解決方案。未來Xilinx相關增強功能將進一步增強調試電纜，使得XilinxChipScopeTM分析儀可以使用調試電纜與調試器共同實現(xiàn)目標訪問，并且通過調試器下載FPGA配置位流。