多核軟件調(diào)試的難點和新方法分析

對于嵌入式裝置而言，多核技術可以提供更高的處理器性能、更有效的電源利用率，并且占用更少的物理空間，因而具有許多優(yōu)勢。
　　要想充分發(fā)揮多核以及多處理解決方案的潛能，僅僅擁有高性能的芯片是不夠的，還需要采用新的編程方法、調(diào)試方法和工具。在傳統(tǒng)上，JTAG調(diào)試技術主要是用于硬件Bring-Up，如今也常常被用于配合基于代理的調(diào)試（agent-based debugging）。然而，在多核和多處理的環(huán)境中，片上調(diào)試（on-chip debugging）正在扮演著越來越重要的角色。
　　多核軟件調(diào)試的難點所在
　　多核環(huán)境顯著增加了系統(tǒng)復雜度，因此在對操作系統(tǒng)和與多核相關的硬件進行調(diào)試的時候，就必須采用一整套更有效的工具。在嵌入式軟件開發(fā)工作中，多核主要呈現(xiàn)為多處理的形式，而這些處理器的內(nèi)核不一定要處在同一個芯片之中。不論這些處理器內(nèi)核是在同一個芯片之中，或者是分布在同一個電路板中的多個芯片之中，甚至是同一個系統(tǒng)中的多個電路板之中，開發(fā)人員都必須解決好多處理環(huán)境中的調(diào)試問題。
　　多核與多處理技術為系統(tǒng)調(diào)試帶來了許多新的挑戰(zhàn)，因為系統(tǒng)復雜度不斷增加，要通過優(yōu)化硬件和軟件來充分發(fā)揮其中的性能潛力，難度就更大了。其中最主要的挑戰(zhàn)來自以下幾個方面：第一，有效地管理內(nèi)存和外設等共享資源；第二，在多內(nèi)核、多電路板和多操作系統(tǒng)的環(huán)境中對操作系統(tǒng)和應用代碼進行調(diào)試；第三，優(yōu)化JTAG接口并充分利用JTAG帶寬；第四，調(diào)試單一芯片中的同構和異構多核，進而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)試；第五，有效地利用JTAG與基于代理的調(diào)試方法，確保不同調(diào)試工具之間的順暢協(xié)同；第六，確保多核環(huán)境中應用調(diào)試的同步機制。
　　在多核調(diào)試中，主要是在解決一個核心問題——由SoC廠商所提供的JTAG接口所造成的局限性。為了節(jié)省成本，許多SoC廠商都只為芯片提供單一的JTAG接口，而不理會其中包含了多少個內(nèi)核。對于開發(fā)者來說，最大的挑戰(zhàn)就是經(jīng)濟有效地使用這些接口來同步多核以及多處理的調(diào)試工作，而經(jīng)常用到的就是采用IEEE 1149.1標準daisy-chain方法。
　　在JTAG接口中有4條線：TDI、TDO、TCK和TMS。為了在多核調(diào)試中能夠與LTAG接口相連，主要涉及到TDI和TDO。在daisy-chain中，前一個內(nèi)核的輸出被連接到后一個內(nèi)核的輸入，以這種方式連接，直到抵達所有的內(nèi)核。daisy-chain方法是基于標準的，得到了廣泛的應用，并且在所有的多核環(huán)境中都是有效的。
　　在daisy-chain方法中，JTAG調(diào)試器利用JTAG服務器的軟件接口來解決多核環(huán)境中經(jīng)常遇到的JTAG連接受限問題。不論內(nèi)核位于何處，JTAG服務器都可通過JTAG接口來實現(xiàn)每個內(nèi)核的編址。JTAG服務器也幫助開發(fā)者實現(xiàn)同一個JTAG下的內(nèi)核同步、進程的起始與停止以及連接的增加和移除，而且不會影響到掃描鏈（Scan-Chain）中的處理器或整個系統(tǒng)。這種方法可以保持精確的時鐘，同時為跨越多個內(nèi)核的不同操作系統(tǒng)或者同一個操作系統(tǒng)中不同進程的調(diào)試提供便利，而daisy-chain方法的核心目標是性能和JTAG帶寬的充分利用。
　　daisy-chain方法中JTAG的主要問題是在Shift-IR階段發(fā)送的數(shù)據(jù)量取決于在掃描鏈中發(fā)出數(shù)據(jù)的裝置數(shù)量以及每個設備的IR長度。例如，在一個包含3個裝置的daisy-chain中訪問一個8位IR寄存器需要24Bit的數(shù)據(jù)量。這類問題對于DR同樣存在，但由于一個處于 bypass模式的裝置在Shift-DR階段實際上只需要1bit的數(shù)據(jù)，從而使這類問題的影響變得比較小。如果JTAG服務器能夠設計得恰如其分，幾乎就可以避免對性能造成任何影響。這也正是Wind River所提供的JTAG解決方案的最大特色。
　　OCD是多核調(diào)試利器
　　單一調(diào)試器的主流方法仍然是JTAG多路技術。這種技術對IEEE JTAG標準規(guī)范進行了拓展，以便為通過共享JTAG接口連接起來的每個內(nèi)核提供獨立的調(diào)試器。在多路技術的支持下，通過對希望調(diào)試的內(nèi)核進行注冊登記（Registering），開發(fā)人員可經(jīng)由單一JTAG接口訪問多個離散狀態(tài)的內(nèi)核。這種解決方案的最大優(yōu)勢在于它的連接和調(diào)試性能。因為多路技術單獨連接到每個內(nèi)核，因而避免了daisy-chaining方法中所遇到的比特位移（bit shifting）方面的麻煩，因而在單芯片中的多核系統(tǒng)中具有更高的性能。這種方式的另一個好處是不需要對開發(fā)工具進行修改，從而可以順暢地應用在多個開發(fā)項目之中。
　　多路技術方法所存在的主要問題是在多內(nèi)核調(diào)試過程中無法同時啟動和停止內(nèi)核來同步應用。如果要停止全部內(nèi)核，開發(fā)人員只能順序地逐個進行，這就引發(fā)了調(diào)用延遲問題。在調(diào)試過程中的延遲問題，會導致很難在內(nèi)核之間的操作系統(tǒng)、中間件和應用中找到發(fā)生問題的確切位置，特別是當運行在不同內(nèi)核之中的應用存在相互依賴性的時候，這個問題就更為突出。例如，某個產(chǎn)品包含DSP功能和ARM 9內(nèi)核，其中DSP用來處理視頻流，ARM 9內(nèi)核提供文件系統(tǒng)，那么內(nèi)核的啟動與停止同步將會十分關鍵。如果調(diào)試過程中在ARM內(nèi)核的啟動和DSP的停止之間出現(xiàn)過多的延遲，DSP視頻流數(shù)據(jù)很快就會溢滿ARM文件緩沖區(qū)，而視頻流也將會中止。如果出現(xiàn)這種情況，就很難判斷系統(tǒng)中的問題出在哪里。而且，多路進程也給開發(fā)人員在故障排除時帶來了許多新的問題，將會大幅度增加調(diào)試時間。
　　另外，如果在有多個廠商芯片組成的異構多核環(huán)境中進行調(diào)試工作，例如處理器來自一個廠商，而DSP器件來自另一個廠商，還會有更復雜的問題需要處理。因為這種情況下的多路（Muxing）機制更為復雜，如果各部分之間的兼容性沒有得到保證，也就很難保證系統(tǒng)正常運行。此時，僅僅依靠多路技術是無法解決問題的，開發(fā)人員就需要采用可編址掃描端口（addressable scan port），這也可能是最后僅有的方法了。這種架構需要用到非常特殊的組件，這些組件可以讓開發(fā)人員把JTAG掃描鏈分割成多個功能組，并通過唯一的地址來訪問每個功能組。這是一種多支路（multi-drop）架構，經(jīng)常被用于底板（Backplane）環(huán)境之中。在這里，有一個分別可編址的掃描鏈在底板內(nèi)實現(xiàn)路由（Routed），從而使機箱中的每個底板都擁有自己專屬的掃描鏈。這種架構的運行速度受限于可編址掃描端口的速度，最典型的情況是25MHz。
　　總之，在多核開發(fā)中，JTAG調(diào)試可以承擔非常有價值的角色，有效地改善“編輯-編譯-調(diào)試” 周期時間。然而，實現(xiàn)這一點的前提是把JTAG調(diào)試與基于標準的集成化開發(fā)環(huán)境（例如Eclipse）緊密地集成起來。最理想的技術方案是，在Daisy Chain中采用遵從IEEE 1149.1 JTAG標準的單一的JTAG調(diào)試器，而JTAG的主要作用是改善系統(tǒng)的吞吐能力和性能。在On-Chip Debugging（片上調(diào)試）方面，Wind River可以提供獨有的能力，在其產(chǎn)品中有效地集成了基于代理的調(diào)試技術，從而幫助開發(fā)人員，即使在面臨非常復雜的系統(tǒng)時，也可以極大地改善調(diào)試工作效率。
　　利用Wind River提供的JTAG解決方案，也就是Workbench On-Chip Debugging，開發(fā)人員可以同時停止或者啟動任何內(nèi)核，在一個或者多個內(nèi)核上設置斷點，其中還可以包括條件斷點。此外，Workbench Eclipse框架和基于代理的調(diào)試方式使開發(fā)人員在單一控制臺上即可管理多內(nèi)核/多處理應用的開發(fā)。開發(fā)人員可以在JTAG調(diào)試和基于代理調(diào)試二者之間靈活地選擇，例如在硬件Bring-Up、內(nèi)核、中間件和其他應用功能調(diào)試的時候采用JTAG連接，然后在自己認為適當?shù)臅r機平滑地轉(zhuǎn)移到基于代理的調(diào)試，而這些調(diào)試工作都是圍繞著同一個應用的。這些能力都會增加不同開發(fā)人員之間的協(xié)同能力，同時改善異常問題的判定效率，從而加快整個開發(fā)與調(diào)試進程。
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