解析基于SoC的系統設計與調試

　調試復雜電子系統從來就不是一項簡單的工作，但至少是可以實現的，您要找到問題的所在。采用您最相信的“示波器”，通過模擬電路到數字轉換，您可以追溯到問題的源頭。然后，編寫測試小程序，檢查驅動和外設，增加一些邏輯探針，再回到外設控制器和CPU總線上，從而最終解決問題。當然，這需要利用別人的一些代碼。

　　而芯片系統（SoC）集成從根本上改變了這一切。今天，微處理器、總線、外設控制器以及大部分存儲器和模擬電路都被包封在一個封裝中。它可以是ASSP、高級微控制器、FPGA，或者您自己設計的ASIC。不論SoC是什么，事實上是，除非芯片設計團隊愿意幫助您，否則，您不可能深入地了解芯片內部。

　　在嵌入式CPU中調試硬件，為您提供斷點和準實時跟蹤等傳統調試功能，從而幫助您完成調試工作。但是，對于他們自己，調試內核也只是給出了您系統的CPU外觀視圖。如果不能針對系統總體狀態來更廣泛的定義某一事件，那么，當事件發生后，您可能需要編寫診斷短代碼，使系統暫時停止工作，將相應的數據寫回CPU。這一過程最好的情況是僅僅耗費了您的時間，而最差的情況是，耗費了時間卻不一定能解決問題，效率非常低。

　　硅片知識產權（IP）供應商提供越來越精細的SoC儀表調試手段，從而解決了這一難題。但是，當今的產品是個性化的，而不是標準化的。系統設計人員需要在芯片設計早期階段獨立作出選擇，而另一公司的其他團隊則根據產品能否及時面市、管芯面積等來確定自己的目標，并不關心能否方便的進行系統調試。而芯片設計人員、軟件開發人員和系統設計人員等參與者還是有一個共同點——互相協作，在系統級找到問題所在。

　從一開始就做好規劃

　　實際上早已決定了您是否能夠成功的找到系統中的問題——兩年前，在您目前正在使用的SoC的開發階段。Brad Quinton是泰克公司嵌入式驗證的首席規劃師，他認為在芯片設計早期階段進行規劃非常關鍵，不僅僅是能夠充分探查芯片，而且還涉及到采用什么樣的調試硬件。然而，這并不常見。

　　芯片設計團隊的確在測試結構中開展了前端工作，但卻是出于其他原因。芯片中置入了測試設計和內置自測試硬件來支持IC測試。但是，這些資源并不是用于調試，一般只提供很少的診斷信息。芯片設計人員會專門針對硅片開發團隊而內置工具，但是，這些工具可能只有內部文檔，硅片一旦發布后，就會禁用這些工具。高速串行端口上會有邊界掃描，甚至是非常復雜的儀表功能，必須在系統中對其進行調整。但是，這些手段是為了在電路板級建立并驗證連接能力，而不是用于系統調試。

　　Quinton質疑，雖然這些結構非常有用，但是芯片設計人員會有更多的問題。Quinton認為，“從系統級進行考慮。關鍵接口、高級狀態機在哪里？通過掌握哪些信息您能夠知道哪一子系統正在工作？”

　　這些思考導致某些IP供應商開發了一類新模塊：在SoC中設計實現儀表和控制器，不僅供設計芯片的IC團隊使用，而且還有使用它的系統設計團隊，如圖1所示。

　　圖1 片內調試電路本身會成為實際的設計。

　　從不同的方向開始工作，兩類供應商驗證了這一發展趨勢。ARM擴展了其CPU內核調試內核CoreSight，涵蓋了多核SoC的大部分工作，而現在是泰克一部分的Quinton Veridae從儀表模塊開始，集中開發觸發器/蹤跡控制器，包括了CPU調試內核。這兩種方法對于系統調試人員都非常寶貴。這都為在SoC基礎上擴展可探查性提供了重要的理念。

　　數據源

　　雖然您想立即開始在系統結構圖中加入各種各樣的數據采集節點，而Quinton首先提出了一些基本問題。誰會使用調試功能：應用編程人員、模擬設計人員，還是機械工程師？他們會在哪一抽象等級上來定義事件；功能調用、信噪比、扭矩讀數？這些用戶會怎樣做：確定他們的代碼熱點、找到瞬變噪聲，或者知道驅動桿為什么失效？只有您理解了問題所在，才能夠找到解決問題的數據。

　　Quinton認為，現在的技巧是確定在哪里收集數據。很明顯，首先是在源頭采集所有數據：A/D轉換器（ADC）輸出、狀態寄存器、網絡接口等。當然，您希望盡可能獲得接近源頭的一些信息，例如，受控物理器件的狀態等。

　　但是，在其他情況下，事先考慮好在哪里采集數據可以減少測量開銷，以及后分析所需要的數據量。Quinton建議，“找到關鍵地方來觀察系統。在一點上所通過的系統狀態量會讓人感到驚訝：例如，CPU與系統總線的接口。”

　　在哪里對數據進行采樣也取決于用戶所希望的抽象級。例如，可能是通過PCI Express （PCIe）總線的系統交換信息等。探查串化器/解串器（SERDES）和PCIe控制器，使您能夠獲得底層協議層工作的詳細信息，這對于總線接口調試非常重要。但是，如果您希望總線接口能夠正常工作，觀察信息流，那么，您最好監視主存儲器中的緩沖，而忽略總線控制器。
問題的相對性

　　一旦找到了您需要的數據，確定了要在系統中的哪些地方來提取這些數據，那么，您需要收集數據，知道數據與時間的相關性，找到觸發模式，采集您希望保存的數據，從系統中提取出這些數據，送入分析工具中。在分立系統中，這一過程相對簡單：所有工作都可以回到邏輯分析儀中完成，分析儀提供統一時間基礎。在基于SoC的系統中，您可能希望把所有數據送回SoC的中心模塊中，如圖2所示。好消息是，泰克和ARM的IP簡化了這一過程。

　　圖2 完整的片內調試系統結合了傳統的CPU內核調試和數據采集站以及信息路由，提供將數據從芯片中輸出的方法。

　　但是，使用IP帶來了新問題。中心模塊和電路板另一側芯片之間的延時會有十幾個時鐘周期。即使在芯片內部，也會有數十個時鐘域，當您跨過時鐘域邊界時，延時會增加很多CPU周期。您怎樣知道兩路數據是同時的呢？

　　如果您要開發自己的調試工具，那么，這會很難。您可以估算數據采集模塊和中心控制器之間的傳播延時，然后，對數據流進行后處理，使其對齊。但是，這一方法難以解決時鐘域交叉的非確定性延時問題。您可以分配一路主時鐘，使用它對您采集的數據進行時間戳處理，但是，這需要很大的電路開銷。泰克等提供的商用解決方案同時使用了硬核IP和軟件算法，在底層自動完成所有這些工作。通過這些算法，可以在一個與時間相關的視圖中看到SoC不同時鐘域和不同物理位置上的事件，通常會發現意外的系統行為。

　　即使是自動完成，仍然會有變化。如果把在系統中不同部分同時發生的小事件作為觸發器，只定義這類事件——例如，ADC輸出等于0，而一個CPU內核進入某一中斷服務例程，那么會出現什么情況？如果事件不僅僅涉及到不同的地方，而且還有不同的抽象級——例如，串行端口的接收眼圖閉上后，出現了堆棧上溢，又會怎樣呢？Quinton把這類跨域分配事件觸發描述為系統觸發的“圣杯”。正如這一隱喻所示，很難找到合適的解決方案。但是，采集了足夠的數據，經過認真思考，構建能夠采集這類復雜事件的本地觸發器，通常能夠實現這些解決方案。

　　從芯片到系統

　　我們詳細討論了芯片級調試功能，它比簡單的CPU調試內核有很大的進步。對于開發自己的SoC的系統設計人員，這些數據非常有用。但是，其他人會怎樣，誰會使用他人的芯片設計？這里的很多理念仍然能發揮作用。

　　其中最首要的是重視提前做好規劃：確定用戶及其使用環境，制定測試策略，回答這些用戶可能提出的問題，規劃數據采集來支持這一策略。最大的不同是，芯片設計人員會提出這些問題，然后，在他們的SoC中開發結構。系統設計人員也會提出問題，然后，通過SoC供應商所提供的工具以及他們的支持來解答問題。

　　相應的，系統設計團隊至少會向他們的SoC供應商提出三類很難的問題。第一，芯片供應商會提供調試工作臺——例如，Tektronix或者ARM主軟件包，來控制SoC的調試硬件嗎？主軟件包能夠很好的適應您現有的系統調試環境嗎？

　　第二，硬件實際接觸SoC中的哪一點？您只獲得了一個CPU內核的觸發/跟蹤功能，或者芯片提供CPU、加速器、總線和外設控制器的擴展采集，跟蹤以及交叉觸發功能嗎？第三，調試子系統會提供哪些方法來觀察系統中其他芯片和器件的狀態？

　　這些問題的答案會定義系統團隊連接哪類外部測量設備工作臺，在哪些工作臺上能夠實現他們的系統調試計劃。在這么多的系統工程中，關鍵是要盡早地開始對調試進行規劃——在工程的體系結構設計階段。沒有足夠的數據呈現，就開始調試基于SoC的系統，是不明智的，很快這種場景就會很難維持下去的。