如何有效使用RISC-V的跟蹤技術(shù)

作者：IAR

在嵌入式軟件開發(fā)中，利用完整的應(yīng)用跟蹤，可為開發(fā)人員分析其產(chǎn)品行為提供無限的可能性。通過對應(yīng)用程序的全面了解，他們可以跟蹤每一條指令，看看他們的應(yīng)用程序是否按照預(yù)期運行，或者是否出現(xiàn)錯誤或漏洞。那么，如何才能最大化地利用現(xiàn)有可用的RISC-V跟蹤呢？

什么是跟蹤？

與傳統(tǒng)的通過設(shè)置斷點、printf等進行調(diào)試相比，跟蹤更像是在不打擾的情況下觀察你的應(yīng)用程序。基本上，開發(fā)人員可以在不干擾程序的情況下觀察整個程序的工作情況。跟蹤包括完整的指令執(zhí)行流程（不需要printf也不需要UART），一旦跟蹤數(shù)據(jù)被捕獲，你可以快速追溯，并隔離異常和硬故障。

這使得尋找那些罕見的、依賴于執(zhí)行順序的漏洞變得更加容易，因為這提供了一串線索：程序執(zhí)行是怎么樣的，按什么順序執(zhí)行的。這使開發(fā)人員能夠準確地了解它們是如何以及為什么總是會停在一串特殊的代碼上。你可以迅速發(fā)現(xiàn)異常和硬故障，進而發(fā)現(xiàn)那些罕見的、依賴于執(zhí)行順序的錯誤。如果沒有跟蹤，當你的程序出現(xiàn)崩潰，就很難重現(xiàn)實際發(fā)生的情況。

然而，跟蹤不僅僅是為了發(fā)現(xiàn)錯誤。跟蹤還可以進行代碼剖析、代碼覆蓋等，你可以實時了解你的設(shè)備的行為。性能和覆蓋率監(jiān)測是強大的功能，當你有跟蹤功能時，就可以實現(xiàn)這些強大的功能。如果你的帶寬夠?qū)?，甚至可以將實時跟蹤流整合到你的調(diào)試器中。

RISC-V的跟蹤技術(shù)

RISC-V組織的主要關(guān)注點之一是為RISC-V制定標準化的規(guī)范。對所有RISC-V成員開放的各種工作小組，目前正專注于開發(fā)制定這些規(guī)范。其中一個例子是處理器跟蹤工作組，該工作組在2020年2月批準發(fā)布了處理器跟蹤規(guī)范。另一個例子是Nexus跟蹤小組，該小組致力于研究如何使用Nexus IEEE-ISTO 5001?標準針對RISC-V內(nèi)核定義的跟蹤技術(shù)。

這類工作將持續(xù)進行，因為必須考慮跟蹤標準的所有方面。其中，包括跟蹤控制的輸出格式。最低的目標是與更成熟的架構(gòu)的現(xiàn)有標準看齊。如果RISC-V跟蹤規(guī)范做得好，它將使現(xiàn)有的跟蹤查看器、硬件跟蹤探頭和跟蹤分析工具易于采用。目前已經(jīng)有一些實現(xiàn)的方案，但RISC-V架構(gòu)應(yīng)該在從物聯(lián)網(wǎng)到服務(wù)器的每個設(shè)備中都有跟蹤，即使是簡單、標準的跟蹤也比完全沒有跟蹤好。

圖1 來自一個RISC-V設(shè)備的跟蹤

看清每條指令

軟件開發(fā)工具中集成對跟蹤的支持增強了日常的代碼開發(fā)/調(diào)試。跟蹤應(yīng)該是設(shè)計人員日常環(huán)境中固有的一部分，而不應(yīng)該是事后分析的東西。因此，你可以寫代碼并運行，看看是如何到達當前的執(zhí)行點的。通過快速追溯、隔離異常和硬故障的功能，你可以直接迭代并獲得良好的代碼質(zhì)量。你還可以找到依賴于執(zhí)行順序的漏洞，并找到可以與你的程序流程相關(guān)聯(lián)的功耗測量值。所有這些分析也可以在具有挑戰(zhàn)性和復(fù)雜依賴性的多核環(huán)境下進行。

在尋找一個漏洞時，翻閱捕獲的跟蹤的難度無異于大海撈針。在短短幾秒鐘的執(zhí)行時間里，可以產(chǎn)生數(shù)以億計的指令。因此，極為重要的是，規(guī)范將提供足夠的觸發(fā)器，以便能夠?qū)⒉东@限制在特定區(qū)域。先進的導(dǎo)航和搜索功能是必不可少的，如果你的編譯器/調(diào)試器工具提供該功能，則可以使用跟蹤觸發(fā)器將跟蹤數(shù)據(jù)限制在你需要的范圍內(nèi)。

為什么需要跟蹤？

在設(shè)備中植入跟蹤單元，讓你有可能在產(chǎn)品運行時進行非侵入性的跟蹤。因為即使添加非常底層的調(diào)試打印輸出，也會改變應(yīng)用程序的時間，并掩蓋其真實行為。

有許多方法可以捕捉和獲得從設(shè)備中輸出的跟蹤數(shù)據(jù)：

l 順序排列

- 足夠的PC采樣跟蹤（對統(tǒng)計代碼剖析研究有好處）

- 輕型儀器、實時操作系統(tǒng)（RTOS）監(jiān)控、變量跟蹤等

- 配備優(yōu)秀的探針，有可能達到幾兆字節(jié)/秒的速度

l 高速并行接口（4至16位的雙邊接口）

- 捕獲一切（時鐘速度可以很高）

- 通過控制流轉(zhuǎn)移時留下的信息進行跟蹤

- 為你執(zhí)行的每一條指令提供保證

- 指令執(zhí)行過程信息實時存儲在調(diào)試器探針上

l RAM緩沖區(qū)

- 要么是小的專用RAM，要么與系統(tǒng)內(nèi)存共享

- 即使是4KB的跟蹤RAM也能提供足夠的功能，真正發(fā)揮作用

l 高速排列

- 速度為10Gbits/s或更高

- 主要適用于較大的、復(fù)雜的系統(tǒng)

l 通過功能接口進行跟蹤（USB3.0提供了超高帶寬?。?/p>

- 使用案例有限——對小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說不是一個選擇

調(diào)試異常情況

通過在日常工作中使用跟蹤，你可以真實看到應(yīng)用程序是如何運行的。你可以檢查程序流，直到一個特定的狀態(tài)，如應(yīng)用程序崩潰，然后使用跟蹤數(shù)據(jù)來定位問題的起源。

異?；蛭刺幚淼墓收峡梢杂芍羔槅栴}、非法指令或數(shù)據(jù)中止引起。通常，當這種情況發(fā)生時，你的堆棧（和函數(shù)調(diào)用信息）會被毀掉，但通過跟蹤，你可以獲得完整的應(yīng)用程序歷史記錄。跟蹤數(shù)據(jù)對于定位那些顯現(xiàn)不規(guī)則且零星發(fā)生的編程錯誤也很有用。這可以幫助發(fā)現(xiàn)價值“百萬美元”的漏洞。

硬件和軟件工具的集成

獲得盡可能高質(zhì)量的代碼的最佳方法是將跟蹤分析能力整合到你的日常開發(fā)環(huán)境中。如果你能在每次部署變化時驗證程序時序和正確性，那么將復(fù)雜的漏洞推給后期系統(tǒng)驗證甚至客戶的風(fēng)險就會大大降低。最好的解決方案是擁有像跟蹤調(diào)試探針這樣的硬件工具，它可以在你的集成開發(fā)環(huán)境中與軟件工具無縫協(xié)作。例如，IAR提供跟蹤探頭I-jet Trace，它與完整的C/C++編譯器和調(diào)試器工具鏈IAR Embedded Workbench完全集成。

I-jet Trace解鎖了IAR Embedded Workbench 集成開發(fā)環(huán)境中的一些高級功能。在圖2中，你可以看到幾個高級視圖功能的例子，上面是時間軸，下面是代碼堆棧。這顯示的是運行中的程序正在進行復(fù)雜的函數(shù)調(diào)用，并且中斷也在同步觸發(fā)。藍色部分顯示的是數(shù)據(jù)跟蹤，這樣你就可以獲得儀表化的顯示，并看到RTOS的切換等。下面的詳細圖顯示了啟動代碼的運行情況——有復(fù)雜的調(diào)用，還有一些較長和較短的函數(shù)，甚至還有一個工具提示來優(yōu)化其中一個調(diào)用的代碼。

圖2 結(jié)合調(diào)用堆棧和中斷以及變量記錄的時間軸實例

代碼質(zhì)量

但是，跟蹤不僅僅是為了發(fā)現(xiàn)漏洞。它還可以幫助你監(jiān)控你的應(yīng)用程序——它是否按照預(yù)期運行？集成性能監(jiān)控是使用跟蹤的主要好處之一，因為它可以幫助你了解應(yīng)用程序執(zhí)行時間都花在哪里了，是否受到中斷風(fēng)暴的影響，是否有時反應(yīng)不夠快等等。

代碼覆蓋率也是一個可以用跟蹤實現(xiàn)的功能（圖3展示了它在IAR Embedded Workbench中的樣子）。這可以用來證明代碼至少被運行過一次，查找出未運行的代碼，顯示測試的缺陷等等。功能安全認證強烈建議將代碼覆蓋率作為提高質(zhì)量的一個手段。靜態(tài)代碼分析工具是對跟蹤分析器一個很好的補充。這可以確保代碼符合特定行業(yè)的標準和最佳編程實踐。除了覆蓋率，該工具還可以收集每個單獨指令的執(zhí)行次數(shù)。例如，有些指令塊被執(zhí)行了4次，有些被執(zhí)行了12次。很明顯，沒有被覆蓋的代碼執(zhí)行了0次。

圖3 跟蹤也可以審查代碼覆蓋率

總結(jié)

跟蹤提供了各種有益的數(shù)據(jù)源，如收集數(shù)據(jù)或協(xié)助開發(fā)人員將信息過濾成實際的知識和見解。用不同的跟蹤查看器進行可視化和分析，可以創(chuàng)建一個產(chǎn)品如何運行及其動態(tài)行為的真實描述，為開發(fā)人員提供必要的信息，以跟蹤那些很難，甚至不可能通過其他手段捕捉的復(fù)雜漏洞。通過在日常開發(fā)中加入跟蹤，開發(fā)人員可以加速軟件開發(fā)過程，提高軟件質(zhì)量。

審核編輯 黃宇