使用軟件查找硬件錯誤

有一個基本的自然法則適用于任何計算芯片，無論是處理器、微控制器還是片上系統(tǒng)：軟件總是會發(fā)現硬件錯誤。在我的整個職業(yè)生涯中，我參與過的項目中沒有一個被證明是正確的。

如果你很不幸，在你制作芯片后軟件發(fā)現了一個錯誤，那么接下來會發(fā)生什么取決于問題的嚴重程度。

如果它不是致命的，并且如果你很幸運并且像一些知名處理器制造商那樣擁有市場力量，那么每個人都會圍繞這個 bug 編寫代碼，然后所有未來的版本都必須復制這個 bug 以實現向后兼容性。這不適用于我們大多數人。更傾向于：

您可能必須刪除不起作用的功能。

功率可能太高，或性能太慢，損害您的競爭力和獲得好價格的能力。

在最壞的情況下，您可能不得不花費大量時間并旋轉另一套面具。額外的延誤和費用。

最好的解決方案是在您投入芯片之前運行該軟件并捕獲這些錯誤。您將同時驗證軟件和硬件。但是怎么做呢？

模擬軟件非常慢。我們說的是幾年。除了瑣碎的代碼之外，根本不是一個選項。

相比之下，仿真被證明是解決這個問題的關鍵工具。您可以在模擬器上實例化硬件，然后讓它在合理的時間范圍內運行實際代碼。也許不是真正的系統(tǒng)速度，但足夠快以使其成為可行的解決方案。

但是，假設您要找到問題，您必須能夠追蹤這些問題的原因，而調試部分在歷史上一直是問題所在。事實上，許多工程師一直不愿意使用仿真，因為在過去，訪問內部處理器狀態(tài)的唯一途徑是通過 JTAG。仿真器以幾 MHz 的時鐘速度運行；仿真器上的 JTAG 只運行其中的一小部分。

那么，例如，如果你想單步執(zhí)行指令？這意味著通過 JTAG 傳輸大約 400 萬個低級位。在仿真器上以 1 MHz 完成，這將需要 4 秒非常昂貴的實時仿真器時間。

而且，更糟糕的是，它是侵入性的：在這 4 秒內，時鐘正在走動。處理器狀態(tài)將保持不變，但處理器之外的世界將繼續(xù)。如果您只是在調試處理器代碼，這可以工作（即使速度很慢）。但是，如果您嘗試調試與非處理器硬件的交互，這將變得非常困難，因為在您完成該單個步驟時，處理器之外的所有內容都已更改狀態(tài)。

由于仿真器上的 JTAG 既緩慢又具有侵入性，調試——尤其是與性能和同步相關的問題——變得非常令人沮喪。因此，考慮到這一點，仿真在過去并不是首選解決方案——阻力仍然存在。

今天的模擬器調試速度很快

但是時代和模擬器已經改變。Mentor 有一種單獨的方法來捕獲不依賴于 JTAG 的處理器狀態(tài)，因此它可以快速發(fā)生 - 在 40-50 MHz 范圍內。這可能比 FPGA 原型上的 JTAG 更快。數據被饋送到我們的 CoModel 主機，狀態(tài)歷史可以在其中存儲和重新創(chuàng)建，一個周期一個周期。

鑒于已存儲的跟蹤，您現在可以針對該跟蹤重放任何有問題的軟件，它將遵循系統(tǒng)狀態(tài)，以便您可以看到哪里出了問題?？梢詥尾綀?zhí)行；您可以探測寄存器和內存；你可以看公交車。一切都沒有入侵：您的調試工作不會改變系統(tǒng)狀態(tài)。這一切都可以離線完成——您無需使用實時仿真器，這使其更具成本效益。

因此，關于軟件調試在模擬器上是否實用的歷史擔憂不再適用。您可以在流片前徹底使用您的計算平臺。軟件開發(fā)人員可以在芯片可用甚至 FPGA 原型可用之前很久就開始軟件開發(fā)。可用于調試的工具旨在為軟件工程師所熟悉——即使您最終發(fā)現了硬件錯誤。

行使部分系統(tǒng)

我們要解決的下一個挑戰(zhàn)是影響單個 IP 塊的開發(fā)人員，這些 IP 塊最終將成為整個系統(tǒng)的一部分。今天的問題是，在完全系統(tǒng)集成之前，你真的不能用真正的軟件運行你的塊，因為系統(tǒng)需要你的部分和所有其他部分才能工作。因此，即使您提前完成了塊設計，也是“快點等待”。

在 Mentor，我們正在開發(fā)一個測試平臺增強功能，它將提供計算平臺的關鍵部分。鑒于 ARM 的流行，我們將從 ARM 架構和與 ARM 相關的總線開始。處理器將覆蓋 Android 或 Linux。這將讓您在仿真器上實現您的模塊，并在完整系統(tǒng)設計可用之前將其“插入”抽象環(huán)境，讓您在驗??證方面領先一步。

總之，您必須在生成掩碼之前運行軟件，以證明您的計算硬件是正確的。仿真是做到這一點的唯一現實方法，而目前 Mentor 的 Veloce 仿真器上提供的工具使其成為非常實用、高效的練習。您可以用最少的實時仿真時間快速調試您的軟件和硬件。而且，在不久的將來，您將能夠在完全系統(tǒng)集成之前在 IP 塊上運行和調試該軟件。

您可以更早地編寫軟件，并且可以更快地驗證您的硬件。所有這些都使得您在真正的硅片中發(fā)現這些硬件錯誤的可能性大大降低。

審核編輯：郭婷