虚拟GDB远程调试技术及其在硬件仿真器中的应用_黄侃.pdf

第4 4卷第3期河 北 科 技 大 学 学 报V o l.4 4,N o.32 0 2 3年6月J o u r n a l o fH e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yJ u n e2 0 2 3 文章编号:1 0 0 8-1 5 4 2(2 0 2 3)0 3-0 2 1 1-0 8虚拟G D B远程调试技术及其在硬件仿真器中的应用黄 侃1,2,徐 勇1,李艳荣3(1.哈尔滨工业大学(深圳)计算机科学与技术学院,广东深圳 5 1 8 0 0 0;2.国微集团(深圳)有限公司,广东深圳 5 1 8 0 0 0;3.深圳国微晶锐技术有限公司,广东深圳 5 1 8 0 0 0)摘 要:为了解决当前硬件仿真器采用测试激励与探针采样调试方法导致的额外硬件资源需求增加以及调试方法复杂死板的问题,研究出一种虚拟G D B远程调试技术提高硬件仿真器的调试能力。首先,使用J T AG的消息代理器与事务处理器进行软件与硬件的信息交互,实现计算机与硬件仿真器的通信;然后,通过V P I接口实现G D B与J T AG代理器的软件信息交互,完成虚拟G D B调试;最后,在硬件仿真器中进行应用实验。结果表明,虚拟G D B远程调试系统可支持断点插入、单步运行、寄存器读写等功能,与插入探针的调试方法相比,使用虚拟G D B调试提速近百倍。虚拟G D B远程调试技术丰富了硬件仿真器的软件调试手段,增强了硬件仿真器的调试能力,提升了芯片设计验证效率。关键词:计算机仿真;远程调试技术;硬件仿真加速器;S C EM I;J T AG事务器;O p e n O C D中图分类号:T P 3 9 1.9 文献标识码:A D O I:1 0.7 5 3 5/h b k d.2 0 2 3 y x 0 3 0 0 1 收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 4;修回日期:2 0 2 3-0 6-0 6;责任编辑:张士莹基金项目:国家自然科学基金面上项目(6 1 8 7 6 0 5 1);深圳市科创委资助项目(K C X F Z 2 0 2 1 1 0 2 0 1 6 3 4 0 2 0 0 4)第一作者简介:黄 侃(1 9 9 0),男,陕西蒲城人,博士,主要从事硬件仿真加速器系统及算法方面的研究。E-m a i l:h k h u a n g k a n h o t m a i l.c o m黄侃,徐勇,李艳荣.虚拟G D B远程调试技术及其在硬件仿真器中的应用J.河北科技大学学报,2 0 2 3,4 4(3):2 1 1-2 1 8.HUAN GK a n,XUY o n g,L IY a n r o n g.V i r t u a lG D Br e m o t ed e b u g g i n gt e c h n o l o g ya n d i t sa p p l i c a t i o n i ne m u l a t o rJ.J o u r n a lo fH e b e iU n i-v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 4(3):2 1 1-2 1 8.V i r t u a lG D Br e m o t ed e b u g g i n gt e c h n o l o g ya n d i t sa p p l i c a t i o n i ne m u l a t o rHUANGK a n1,2,XUY o n g1,L IY a n r o n g3(1.S c h o o l o fC o m p u t e rS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,H a r b i nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y(S h e n z h e n),S h e n z h e n,G u a n g d o n g5 1 8 0 0 0;C h i n a;2.S M i T G r o u p(S h e n z h e n)C o m p a n yL i m i t e d,S h e n z h e n,G u a n g d o n g5 1 8 0 0 0,C h i n a;3.S h e n z h e nS M i TJ i n g r u iT e c h n o l o g yC o m p a n yL i m i t e d,S h e n z h e n,G u a n g d o n g5 1 8 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h et e s t b e n c hs t i m u l a t i o na n dp r o b ei n s e r t i o nd e b u g g i n gm e t h o do fe m u l a t o rr e q u i r e se x t r ah a r d w a r er e s o u r c e sa n dh a si n s u f f i c i e n tf l e x i b i l i t yi ns o f t w a r ed e b u g g i n g,av i r t u a lG D Br e m o t ed e b u g g i n gt e c h n o l o g yw a sr e s e a r c h e dt o i m p r o v e t h ed e b u g g i n ga b i l i t yo f t h ee m u l a t o r.F i r s t l y,J T AGp r o x ya n dJ TA Gt r a n s a c t o rw e r e河 北 科 技 大 学 学 报2 0 2 3年u s e dt o s u p p o r t t h e c o n n e c t i o nb e t w e e n t h ew o r k s t a t i o na n d t h e e m u l a t o r.T h e n t h e s i g n a l sb e t w e e nG D Ba n dJ T A Gp r o x yw e r et r a n s m i t t e dt h r o u g hV P I t oc o m p l e t et h ed e b u g g i n go fv i r t u a lG D B.F i n a l l y,t h ev i r t u a lG D Br e m o t ed e b u g g i n gs y s t e m w a sa p p l i e d i ne m u l a t o r f o re x p e r i m e n t s.T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ev i r t u a lG D Br e m o t ed e b u g g i n gs y s t e mc a ns u p p o r tb r e a k p o i n ti n s e r t i o n,s i n g l es t e pr u n n i n g,r e g i s t e r r e a d i n ga n dw r i t i n g,a n do t h e r f u n c t i o n s.C o m p a r e dw i t hd e b u g g i n gb yp r o b e i n s e r t i o n,t h ev i r t u a lG D Bs y s t e mi sa l m o s th u n d r e dt i m e sf a s t e r.I tg r e a t l ye n r i c h e st h es o f t w a r ed e b u g g i n gm e t h o da n de n h a n c e st h ed e b u g g i n ga b i l i t yo f e m u l a t o r,a n d i m p r o v e s t h ee f f i c i e n c yo f t h ec h i pd e s i g na n dv e r i f i c a t i o n.K e y w o r d s:c o m p u t e r s i m u l a t i o n;r e m o t ed e b u g g i n gt e c h n o l o g y;e m u l a t o r;S C EM I;J TA GT r a n s a c t o r;O p e n O C D 随着超大规模集成电路的不断增长,以及产品迭代周期的不断缩短,电路仿真验证变得愈加困难。基于软件模拟(s o f t w a r es i m u l a t i o n)的验证方法逐渐无法适用于如今超大规模集成电路的仿真验证,尤其是在仿真速度上出现了瓶颈问题1。因此,使用能够高速运行的硬件进行仿真加速成为现代超大规模集成电路仿真验证的重要技术途径。基于硬件仿真器(e m u l a t o r)的仿真验证技术成为芯片设计及验证从业人员极为关注的重要技术手段2。硬件仿真器常用的验证方法包含在线仿真模式(i n-c i r c u i te m u l a t i o n,I C E)3、基于事务加速模式(t r a n s a c t i o nb a s e da c c e l e r a t i o n,T B A)4以 及 带 目 标 的 仿 真 加 速 模 式(s i m u l a t i o na c c e l e r a t i o n w i t ht a r g e t)5,通过测试激励对待测器件(d e v i c e-u n d e r-t e s t,DUT)进行激励并将反馈信号与预期结果相比较来查找问题。文献6 采用测试激励对X i l i n x公司的F F T(f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m)I P核进行激励并获取反馈数据进行仿真调试,但是其只能针对一定周期数的指定信号进行采样来验证I P核的正确性,该I P相对于复杂芯片仅是极其微小的一部分,对于完整芯片的验证调试复杂度会成指数级增长。文献7 构建了基于T B A的验证平台,需要构建额外的生成器、检查器、监视器等器件来完成对待测器件的验证,其对额外硬件资源需求增加较为明显。同时,还需要验证人员开发配套器件,也提升了验证成本。文献8 通过增加探针及额外I/O卡进行软件调试,增加了软件调试的复杂性。此外,常用硬件仿真器中实时调试的手段只能通过加入静态探针、动态探针等方法获取DUT内部信号数据进行调试9。以上的仿真调试验证方法不仅需要消耗额外的硬件资源,还存在对DUT内运行软件调试灵活性不足的问题。同时,企业级硬件仿真器物理硬件复杂,J T AG(j o i n t t e s t a c t i o ng r o u p)接口不便于接入,更加影响了硬件仿真器中的软件调试手段。因此,为了使硬件仿真加速器的调试手段更加灵活,获取DUT内部信号的能力更加便捷,同时为了解决硬件 仿 真 器 不 方 便 接 入J T AG仿 真 器,以 及 尽 可 能 减 少 验 证 成 本 及 时 间 等 问 题,结 合G D B(g n ud e b u g g e r)调试技术、V P I通信接口以及基于S C EM I协议的J T AG代理器及事务器技术,对虚拟G D B远程调试技术进行研究,并在硬件仿真器中进行应用实验。1 硬件仿真器中的J T A G调试系统调试对象协议转换器调试主机图1 J T AG调试系统结构F i g.1 J T AGd e b u g g i n gs y s t e ms t r u c t u r e基于国际标准测试协议(I E E E1 1 4 9.1)的J T AG调试是如今普遍使用的嵌入式调试技术1 0。J T AG接口 可 读 取 或 写 入 芯 片 内 部 封 装 的 边 界 扫 描 链(b o u n d a r ys c a nc h a i n)寄存器的信息,帮助设计测试人员对DUT内 部 的 行 为 逻 辑 进 行 调 试。经 典 的J T AG调试系统结构如图1所示1 1,通过协议转换器将调试主机与调试对象相连。协议转换器主要将调试主机发送的高层调试命令转换为底层J T AG调试命令。现有J T AG协议转换器需要通过物理硬件来实现,如商用J L I NK1 2,S T-L I NK1 3等。本文所用的J T AG调试命令通过T R S T n,C L K,TM S,T D I,T D O5条控制及信号线进行数据交互,通过有限状态机控制各个信号的发送与接收,该状态机也是J T AG调试的核心运行逻辑,通过运行逻辑保证系统的正确运行,如图2所示。T R S T n信号为可选信号,用来对状态机复位,恢复到T e s t-L o g i cR e s e t状态。在T C K信号的驱动下,TM S信号对状态机状态进行控制,T D I与T D O信号访问边界扫描链的2种寄存器:指令寄存器(I R,i n s t r u c t i o nr e g i s t e r)与数据寄存器(D R,d a t ar e g i s t e r)。通过对指令寄存器的配置可以控制待测器件按指定命令执行功能,通过对数据寄存器的写入或读取来控制待测器件的数据输入或反馈212第3期黄 侃,等:虚拟G D B远程调试技术及其在硬件仿真器中的应用图2 J T AG有限状态机示意图F i g.2 F l o wc h a r to f J T AGf i n i t es t a t em a c h i n e输出。由以上方式完成待测器件的J T AG调试。在硬件仿真器中,本文基于S C E-M I(s t a n d a r dc o-e m u l a t i o nm o d e l i n gi n t e r f a c e)协议1 4生成J T AG的事务器模块,用来进行J T AG协议转换。硬件仿真器中的J T AG调试系统结构如图3所示。图3 硬件仿真器中的J T AG调试系统F i g.3 J T AGd e b u g g i n gs y s t e mi ne m u l a t o r 图3中J T AGP r o x y及J T AGT r a n s a c t o r为基于S C E-M I协 议F u n c t i o n-b a s e dC h a n n e l实 现 的J T AG软件端代理器和硬件端事务器模块。通过S y s t e mV e r i l o g的D P I(d i r e c tp r o g r a mm i n gi n t e r-f a c e)接口1 5实现接口函数,完成代理器及事务器的消息互通。J T AGP r o x y及T r a n s a c t o r中所调用及声明的函数接口如表1所示。表1 J T AGP r o x y及T r a n s a c t o r中接口列表T a b.1 I n t e r f a c e l i s to f J T A GP r o x ya n dT r a n s a c t o r接 口功 能 S e n d_r e s u l t_t o_s e r v e r()T r a n s a c t o r发送反馈信号给P r o x yS e n d_c m d e n d_t o_s e r v e r()T r a n s a c t o r发送完成信号给P r o x yS e n d_c m d_t o_x t o r()P r o x y发送命令及数据给T r a n s a c t o rS e n d_c m d()T e s t b e n c h发送指令到P r o x yS e n d_d a t a()P r o x y发送数据到T e s t b e n c h312河 北 科 技 大 学 学 报2 0 2 3年 S e n d_r e s u l t_t o_s e r v e r()及S e n d_c m d e n d_t o_s e r v e r()是在代理器中实现的D P I接口,在事务器中进行主动调用,从而将J T AG中T D O的输出信号以及输出信号的终止信号发送给代理器。S e n d_c m d_t o_x t o r()是事务器提供的D P I接口,供代理器调用,用来发送命令及数据给事务器。S e n d_c m d()是代理器提供的A P I接口,用来让测试激励给代理器发送命令。S e n d_d a t a()是代理器提供的A P I接口,用来给测试激励发送反馈数据。J T AG事务器中通过有限状态机控制命令的解析、执行以及反馈。命令控制状态机的示意图如图4所示。该事务器有限状态机是控制事务器与代理器运行逻辑的核心模块,需要该状态机来控制事务器与代理器信号的发送与接收,从而保证事务器与代理器的正确运行。图4 J T AGT r a n s a c t o r命令控制状态机F i g.4 C o mm a n dF S Mo f J TA GT r a n s a c t o r该状态机中I D L E为空闲状态,P A R S E_CMD为解析命令状态,E X E C_CMD为执行命令状态,S E N D_A C K为发送回复状态,CMD_E N D为命令完成状态。其中P A R S E_CMD状态中的命令包含R E S E T,S TO P_S I MU,TM S_S E Q,S C AN_CHA I N,S C AN_CHA I N_F L I P_TM S共5条命令,用来根据上位机发送的CMD命令控制TM S信号。E X E C_CMD状态中根据解析得到的TM S信号,控制发送TM S和T D I信号给DUT,或者接收DUT发送的T D O信号。S E N D_A C K状态将接收到的T D O信号传送给P r o x y。代理器与事务器间交互的消息包含CMD,b u f f e r_i n,b u f f e r_o u t,l e n g t h,n b_b i t s共5个数据。其中CMD为命令状态机中的命令;b u f f e r_i n存储T D O信号;b u f f e r_o u t存储TM S或T D I信号;l e n g t h存储代理器中数据的长度;n b_b i t s存储事务器中需解析的数据位数。通过J T AG事务器中命令控制状态机的控制以及代理器与事务器间消息的传递,J T AG代理器与事务器间即可构成调试信息通道,从而进行对待测器件的信息输入与反馈信号的获取。2 虚拟G D B调试技术及其在硬件仿真器中的应用使用J T AGP r o x y及T r a n s a c t o r调试系统需要编写复杂的测试激励,对于DUT上运行的软件调试来说过于复杂。本文结合J T AG调试系统开发出虚拟G D B调试技术,使硬件仿真器可以脱离J T AG仿真器物理硬件,仅通过H o s tS e r v e r以及Em u l a t o r即可进行G D B调试。虚拟G D B技术通过V P I(v i r t u a lp r o-t o c o l i n t e r c o n n e c t)接口协议,将G D B命令解析转译为J T AG P r o x y可识别的J T AG命令,结合J T AGP r o x y及T r a n s a c t o r形成一整套G D B调试系统1 6,用于调试硬件仿真器中的DUT。其在硬件仿真器中的调试系统如图5所示。412第3期黄 侃,等:虚拟G D B远程调试技术及其在硬件仿真器中的应用DUTTDOTDITMSCLKTRSTnJTAGTransactorEmulatorFunction鄄basedchannelJTAGProxyVPIRSPGDBWork StationWork Stationor PCOpen鄄OCD图5 虚拟G D B调试系统F i g.5 V i r t u a lG D Bd e b u g g i n gs y s t e m使用的O p e n O C D是一个开源调试软件,其与G D B调试工具可进行联合工作,支持现有A RM处理器、M I P S以及I n t e lF P GA等核心芯 片 的 调 试,也 支 持J L I NK等 商 用 的J T AG仿真器。O p e n O C D主 要包含3个模块:G D B服务模块、P r o x y服务模块、目标模块配置 模 块。G D B服 务 模 块 用 于G D B与O p e n O C D的通信,其会建立一个线程循环监听通信连接,当收到G D B发送的R S P信息包格式 的 信 息 时,提 取 命 令 信 息 并 发 送 给O p e n O C D;执行或者收到返回数据时,将返回数据封装成R S P信息包返回给G D B1 7。P r o x y服务模块是基于调试访问端口(d e b u ga c c e s sp o r t,D A P)实现的模块,用来将J T AG接口数据转译成不同的系统总线事务1 8从而与J T AG代理器进行通信。目标模块配置模块根据目标芯片进行匹配设置,进而与目标芯片进行连接配置确认,确认整个系统与对应的DUT建立连接。G D B服务模块与P r o x y服务模块使用默认配置建立连接,修改目标模块配置部分,使用V P I接口协议对硬件仿真器中的J T AG P r o x y进行通信适配。配置J T AG_V P I_P O R T端口为5 5 5 5,J T AG_V P I_A D D E R S S地址为1 2 7.0.0.1,通过地址端口建立连接。配置目标芯片为C o r t e x-M 3,配置J T AG时钟为1MH z,内存起始地址为0 x 2 0 0 0 0 0 0 0 0,大小为0 x 1 0 0 0 0,指令位宽为4,掩码为0 x f。J T AGP r o x y中增加I n i t_j t a g_s e r v e r()函数,用来创建线程循环监听端口连接,端口与J T AG_V P I_P O R T保持一致。当收到O p e n O C D发送的数据时,首先将其转译为P r o x y中可识别的命令存入数据结构中,然后调用S e n d_c m d()函数将命令发送给T r a n s a c t o r,完成命令的发送。再将S e n d_d a t a()函数进行适配,将收到的J T AG信号封装为V P I数据,发送给O p e n-O C D,完成数据的返回。3 测试结果与讨论本文所用测试用例为开源的C o r t e x-M 3内核1 9,经自主研发的硬件仿真器配套编译器编译后写入硬件仿真器。所用硬件仿真器为自主研发的企业级硬件仿真器,采用I n t e l S 1 0系列F P GA组成阵列,单颗F P GA包含51 7 24 8 0个L UT(l o o k-u pt a b l e),77 5 87 2 0个F F(f l i p-f l o p),1 29 5 0个B R AM(b l o c kR AM),以及69 1 2个D S P(d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r)。可支持1 0亿A S I C门的芯片设计进行硬件仿真验证。所用服务器C P U为I n t e lX e o nP l a t i n u m 8 2 6 82.9GH z1 2 8核,内存1T B,在C e n t O S系统上启动软硬件。硬件仿真器以T B A模式启动成功后可显示P o r x y正在监听端口5 5 5 5,然后开启O p e n O C D,读取端口连接信息及D A P的相关信息。例如:连接端口1 2 7.0.0.1:5 5 5 5,J T AGt a p为c m 3,器件T A P I D为0 x 4 b a 0 0 4 7 7,如图6所示。启动G D B后执行t a r g e t r e m o t e 1 2 7.0.0.1:3 3 3 3,连接成功后执行l o a d命令,将之图6 O p e n O C D与P r o x y连接成功F i g.6 S u c c e s s f u l c o n n e c t i o nb e t w e e nO p e n O C Da n dP r o x y512河 北 科 技 大 学 学 报2 0 2 3年前编译好的e l f文件下载到C o r t e x-M 3中进行调试。图7 G D B调试运行图F i g.7 D e b u g g i n gf i g u r eo fG D B本次测试对C o r t e x-M 3内部寄存器进行赋值并通过单步执行获取每次赋值后的寄存器值,如图7所示,寄存器r 0成功赋值为1。该结果表明,整个虚拟G D B远程调试系统成功应用于硬件仿真器中,可进行G D B调试方法中的单步调试、寄存器值获取等操作,有效增强了硬件仿真器的调试能力。当使用I C E模式运行时,接入J L I NK仿真器到硬件仿真器的J T AG接口,同样可以进行远程调试,O p e n O C D的连接情况如图8所示。使用C o r t e x-M 3在硬件仿真器中的编译及运行参数如表2所示。由表2可知,事务器所消耗的额外硬件资源量仅占单颗F P GA的0.2%,而运行频率可达到6MH z,相比于其他硬件仿真器的1MH z提升了6倍。本文还使用插入探针的方法对DUT进行调试,通过探针抓取T C K,TM S,T D I以及T D O信号,得到的信号波形如图9所示。图8 I C E模式下O p e n O C D与J L I NK连接F i g.8 C o n n e c t i o no fO p e n O C Da n dJ L I NKi nI C Em o d e表2 C o r t e x-M 3在硬件仿真器中的编译运行性能T a b.2 P e r f o r m a n c eo fC o r t e x-M 3i ne m u l a t o r 项 目G D B调试性能P r o b e调试性能DUT编译时间/m i n2 02 1DUT资源占用L UT:7 5 3 9 7F F:2 0 4 2 1B R AM:1 3 1D S P:2L UT:7 5 4 0 1F F:2 0 4 5 3B R AM:1 3 1D S P:2T r a n s a c t o r资源占用L UT:9 2 7 2F F:5 9 2 1L UT:9 2 7 2F F:5 9 2 1DUT运行频率/MH z66J T A G运行频率/MH z11调试时间/s21 8 0本次插入4个静态探针,探针占用资源需要增加4个L UT以及3 2个F F,同时对调试时间进行比对。使用G D B调试获取寄存器数据,从启动G D B到获取数据用时不超过2s;使用探针进行信号抓取,从启动测612第3期黄 侃,等:虚拟G D B远程调试技术及其在硬件仿真器中的应用图9 探针抓取J T AG引脚波形图F i g.9 W a v e f o r mo f t h eJ TA Gp i n sb yp r o b e试激励到信号抓取完成需1 8 0s。可以看到,使用虚拟G D B调试系统可以加速调试时间近百倍。这是因为,探针抓取需要将信号引入专用的调试硬件I P,而后将数据存入存储器进行数据对齐等处理,最后才能显示波形,数据处理和显示需要消耗大量时间。另外,探针抓取的信号数量还受到存储器大小的约束,数据量超过存储器大小时将无法完整地保留所有数据。而使用虚拟G D B进行调试时,只需要输入对应的激励就可以即时获取想要的数据,这也体现出虚拟G D B调试系统的灵活性。4 结 语本文设计和开发了虚拟G D B远程调试系统,并成功应用于硬件仿真器中。相比于探针抓取的调试方法,虚拟G D B远程调试系统减少了近百倍的调试时间。该系统同时支持硬件仿真器的I C E模式和T B A模式,丰富了硬件仿真器的软件调试手段,同时还缩短了DUT的调试时间,方便硬件仿真器用户进行远程调试,为国产硬件仿真器提供了更加便捷灵活的软件调试方法。但是,对于软件调试方法来说单纯G D B调试仅是基础功能。未来可将虚拟G D B远程调试技术与更高层次的集成开发环境(如e c l i p s e等)相结合,开发出更为便捷的软件调试工具,方便芯片从业人员基于硬件仿真器对所设计的芯片进行仿真验证。参考文献/R e f e r e n c e s:1 徐宣哲,宁珂,郑学敏,等.基于硬件仿真系统的边缘计算人工智能视觉芯片设计验证J.物联网学报,2 0 2 2,6(1):2 0-2 8.XUX u a n z h e,N I N GK e,Z HE N G X u e m i n,e ta l.V e r i f i c a t i o no fa na r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c ev i s i o nc h i pd e s i g nf o re d g ec o m p u t i n gb a s e do nh a r d w a r es i m u l a t i o ns y s t e mJ.C h i n e s eJ o u r n a l o nI n t e r n e to fT h i n g s,2 0 2 2,6(1):2 0-2 8.2 郝强.基于硬件仿真器的P C I e接口验证方法的研究和实现J.电子技术应用,2 0 2 0,4 6(8):7 7-7 9.HAOQ i a n g.R e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o 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