一种新的嵌入式处理器在线调试方法

　　引言

　　在FPGA 设计中使用嵌入式处理器软核( 如MicroBlaze、PicoBlaze 等) 构成可编程片上系统( SystemOn Programmable Chip，SOPC) ，相比于ASIC 具有更好的可修改性和可维护性，得到了普遍的应用。由于ARM，MicroBlaze 等大型处理器内核具备调试接口，在与之对应的调试模块配合下，调试软件可以通过JTAG 接口实现: 执行到断点处挂起、单步执行、查看处理器内部状态、查看和修改Memory空间中的数据等基本的在线调试功能。上述基本的在线调试功能对嵌入式系统的调试具有重要意义。

　　对于PicoBlaze 等占用资源少、设计开发简单的小巧型处理器，一般不具备调试接口，然而在SOPC系统设计中经常需要使用上述处理器。使用上述处理器时，由于没有调试接口，属于大型处理器的标准高效的调试机制不再能够使用，因此通过指令集仿真( ISS，Cycle - accurate Instruction Set Simulation) 和利用仿真工具对含有处理器的系统进行软硬件协同仿真是确保设计正确性的重要途径。然而在诸如接收机基带信号处理等系统的设计中，仿真所用的测试用例往往覆盖率不够，或者在发现故障以后很难构造出与之相应的测试用例。因此迫切需要使在线调试功能能够方便地扩展到一般的处理器上。

　　针对上述应用需求，这里提出的新调试方法通过引入一种通用的调试模块( Universal Debug Module，UDM) 可以使没有调试接口的处理器建立起标准的调试机制。该调试模块利用处理器的中断机制实现处理器响应断点( breakpoint) 的机制，利用基于双端口RAM 中一种巧妙的地址映射机制实现同时对多行代码设置断点的功能，并且能够方便地实现被调试系统和调试主机之间调试信息和命令的交互。UDM 还具有易于扩展的优点，当SOPC 系统中有多个处理器时可以共用一个UDM。

　　2 在线调试的一般原理

　　嵌入式处理器的主流在线调试方法，目前主要有2 种: 后台调试模式( backgroud debug mode，BDM) 技术和基于IEEE P1149. 1 协议的JTAG 调试技术。BDM 技术在Motolora 微控制器中得到了大量的应用，ARM，MIPS 和PowerPC 等处理器都具有基于JTAG 技术的在片调试功能，如ARM 公司提出了基于JTAG 技术的RDI 调试接口标准，主要用于ARM 芯片的调试。处理器内核中通过增加支持调试的扩展设计，可在预留的调试接口输入简单的控制信号，以实现: 处理器挂起( Halt) 、输出PC 值和通用寄存器值、输出和修改Memory 空间中的数据等基本的原始调试操作。通常上述调试接口的设计与指令集架构相关，如MIPS32 提供如下一些调试方法: ①断点指令BREAK; ②一些自陷指令TRAP; ③特殊控制寄存器WATCH，通过编程使得特定的load /store 操作以及取指操作产生特殊的例外;④一种基于TLB 的MMU，通过编程使得访问任意存储器页都可以产生特定的例外。

　　对于没有调试接口的处理器目前主要是通过在软件和硬件设计中充分考虑可能的调试需求，再加上调试主机和被调试系统之间的通信机制来实现在线调试的。这种调试模式下，调试代码需要插入到正常程序中，将调试信息输出到调试主机，同时还能够接收调试主机发过来的命令做出各种响应。该方法的主要缺陷是针对不同的调试需求，要不断修改正常程序中的调试代码，导致标准化和通用性程度不高。此处的UDM 在不对处理器内核做修改的情况下即可使这类处理器建立起方便的调试机制，是一种不同于主流大型处理器实现在线调试的方法。

　　3 通用调试模块( UDM) 的工作原理

　　3. 1 系统描述

　　使用UDM 的调试系统框图如图1 所示，利用与FPGA 同在一块PCB 板上的ARM、DSP 等处理器作为辅助调试用的嵌入式处理器( 下文中简称为辅助处理器) ，简化了UDM 与调试主机之间的通信。通过辅助处理器的总线接口，UDM 中的各种控制和数据寄存器被直接映射到辅助处理器的Memory 空间。在辅助处理器开发工具的Memory 窗口直接进行数据读写操作，就可实现对UDM 的操控，如图4、图5 所示。由于在一块PCB 板上同时集成FPGA 和嵌入式处理器芯片是很常见的设计，因此这种通信方式适用的范围很广。

　　图1 应用UDM 的调试系统框图

　　UDM 直接作为FPGA 外部辅助调试的嵌入式处理器的外设，如果在外部处理器总线挂接多个UDM 模块，就能实现同时对多个处理器进行调试。

　　UDM 通过产生调试中断( DeBug Interrupt，DI) 信号，使处理器响应中断并调用调试服务程序( DebugRoutine，DR) 。UDM 通过监测处理器的取指令地址( Instruction Address， IA) 产生DI 信号。PicoBlaze 在运行DR 时可通过其总线接口访问UDM，从而实现调试信息的输出和对调试命令的响应。

　　3. 2 断点设置机制

　　产生DI 时由于处理器会立即执行DR，从而中断正常的执行流程转为为调试服务，因此决定DI 产生的时机是实现断点机制的核心。DI 信号是通过监测处理器的取指令地址( Instruction Address， IA)产生的。直接通过一个比较器将IA 与一个数据比较一次只能设置一个断点，为了解决此矛盾采用了如下方法: 在UDM 中用双口RAM 存储断点配置信息，使RAM 中的每1bit 与程序存储区的一个地址对应起来，数据为1 代表设置了断点，0 代表没有。

　　将输入的IA 进行地址变换后对RAM 存储区寻址，使得RAM 在一端输出一个正好代表输出的地址处是否设置了断点信息，再根据此数据就可生成正确的DI 信号。在双口RAM 的另外一端，断点设置情况可以方便地被修改。这样一来可以设置的断点个数变为主要受UDM 中双口RAM 容量限制了。

　　3. 3 调试服务程序

　　只需在DR 中保证处理器不对目标程序的内外部环境造成改变，就等效于实现了处理器的挂起功能。因此，需要将DR 和目标程序的执行环境隔离开来，这可以通过对编译器进行某些设置或强制的编码规范来实现。在处理器被挂起之后，DR 与外部调试主机通信，通过查询命令寄存器的方式响应调试主机发出的各种调试命令。这些命令包括: 将有关的调试信息搬移到外部调试主机可以观察的缓存区中、修改Memory 空间中的数据、退出DR 使目标程序继续执行等。由于DR 必须与目标程序使用相互隔离的资源并且小型处理器中代码容量，外部Memory空间大小等都比较受限，因此DR 的设计应该尽可能占用较少的端口数、通用寄存器数和代码总行数。

　　4 设计实例

　　Xilinx 公司的PicoBlaze 是一种常用的小巧型处理器，它由ALU、程序计数器栈( 适用于嵌套子程序) 、16 个8 位通用寄存器、64 字节RAM 构成的暂存器、程序计数器和控制器以及中断支持电路构成，其代码容量为1024。本节以针对PicoBlaze 的应用为例，设计了一个具体的UDM，并在Spartan3S5000FPGA 上进行了实际验证。该UDM 使用的硬件资源为1 个18KB BRAM 和62 个Spartan - 3逻辑片，软件资源为61 行汇编代码，具备的功能如下:

　　·可同时在每一行代码处设置断点，在没有设置断点的情况下，可强制产生DI，从而运行DR 输出调试信息;

　　·可以观察到的调试信息为: 程序计数器PC的值、s0 ～ sb 寄存器、64byte 的暂存器，Memory 空间中的数据，在DR 运行时可以刷新上述调试信息。

　　4. 1 硬件实现

　　基于PicoBlaze 处理器应用的UDM 硬件结构如图2 所示。UDM 与调试终端和PicoBlaze 都有总线接口，因此其内部寄存器分为3 类: 仅受PicoBlaze控制，仅受辅助处理器控制以及受二者共同控制。

　　PicoBlaze 和辅助处理器分别在双口RAM 的A、B 端口写入数据。为了减少占用PicoBlaze 的I /O端口，PicoBlaze 在向双口RAM 写入数据之前先向RAM寻址寄存器写入地址，然后通过写数据输出寄存器将数据写入前一操作指定的地址中。

　　图2 UDM 的内部电路结构框图

　　双口RAM 的B 端口连接到辅助处理器的总线，数据位宽为16，可访问的地址范围为0 ～ 255，地址0 ～ 165 作为交互调试数据的缓存区，地址192 ～255 用于存储断点设置信息。每一个寄存器中存放16 行代码的断点设置情况，由于PicoBlaze 的代码容量为1024 行，故只需占用64 个寄存器，例如地址为193 的数据为0x4080 则表示第24 和31 行设置了断点。双口RAM 的A 端口数据位宽为8，在DR 运行时用于输入调试信息，在目标程序运行时输出断点设置信息。因此在A 端口有一个地址选择电路，使得输入A 端口的地址在不同的情况下分别由RAM寻址寄存器和IA 决定。当运行目标程序时，A 端口输入的地址为IA 的高7 位加上偏移量0x180，输出的8bit 数据再经IA 的低3 位寻址输出1bit 数据，这样得到的数据正好反映了与IA 对应的代码是否设置了断点。中断信号产生电路根据上述数据和中断信号的时序要求，产生输出给处理器的DI 信号。

　　调试命令寄存器由PicoBlaze 和辅助处理器共同控制，辅助处理器向该寄存器写不同的数代表不同的调试命令。在运行DR 时通过查询该寄存器来实现对各种调试命令的响应，在响应调试命令之前PicoBlaze 将调试命令寄存器清0，作为与辅助处理器的握手操作机制。当向调试命令寄存器写3 时，不管是否设置了断点都会立即产生DI 信号。

　　4. 2 软件实现

　　在基于PicoBlaze 的应用中，为了减少代码容量，DR 的流程比较简单。在初始化准备之后，依次将s0 ～ sb 寄存器、64byte 的内部RAM，Memory 空间中的数据输出到双口RAM 中，然后陷入一个等待和处理调试命令的循环中。目标程序和DR 执行环境的隔离通过限制目标程序只允许修改寄存器s0 ～sb 以及64byte 的内部RAM，而DR 只允许修改寄存器se ～ sf 来实现。只有当调试命令为退出调试时，DR 程序才会结束，PicoBlaze 又返回到目标程序的执行。当调试命令为刷新调试信息时，PicoBlaze 将重复一次初始化和调试信息输出的过程。

　　4. 3 实际验证和使用情况

　　在应用UDM 之前，首先通过NC - verilog 对其进行了仿真，部分仿真波形如图3 所示。图中反映的是当作为DI 的信号pdm_ int 产生了之后，PicoBlaze怎样转入执行DR 的，限于篇幅，验证其他各种功能的仿真波形不在此赘述。

　　图3 UDM 的部分仿真波形

　　为了进一步对UDM 的功能和性能进行完备的检验，在FPGA 中建立了如下简单的PicoBlaze 处理器系统。PicoBlaze 外部只接一块252X8bit 的RAM和UDM，PicoBlaze 上的目标程序流程为如下的死循环: 将s0 ～ sb 依次置入0 ～ 11，再反过来依次置入11 ～ 0; 将64byte 的RAM 依次写入0 ～ 63，再反过来写入63 ～ 0; 将外部的RAM 依次写入0 ～ 251，再反过来写入255 ～ 4。这样的一种简单设计，可以保证从输出的调试信息直接看出处理器在哪行代码处响应了断点。

　　如图4 所示为在调试主机上进行调试控制的界面。偏移地址0x184 处的1040 表明在38 与44 两行代码处设置了断点，事实上从地址0x180 ～ 0x1ff处都可以设置断点。地址0x200 处为当前的PC 值，通过向地址0x208 处写1 可使其更新; 地址0x202处为UDM 的使能位，当其为1 时UDM 才被使能; 地址0x204 为调试命令寄存器，向其写1 使处理器从断点退出，写2 使处理器刷新调试信息，写3 使处理器强制进入DR 输出调试信息; 地址0x206 处表示调试状态，当其为3 时表明处理器在运行DR，并且调试信息已经输出完毕。

　　图4 使用UDM 调试的控制界面

　　显示调试信息的界面如图5 所示，地址0x00 ～0x0b 显示寄存器s0 ～ sb 的数据，地址0x0c ～ 0x3b显示内部64byte 存储器的数据，地址0x4c ～ 0x14b显示PicoBlaze 外部Memory 空间的数据。由于图5中断点正好设置在完成依次向PicoBlaze 的Memory空间依次写0 ～ 251 之后，因此显示的数据是递增的。当断点正好设置在完成依次向Pico Blaze 的Memory 空间依次写255 ～ 4 之后，所显示的数据就变为递减。在很多其他断点处显示的调试信息与断点设置的位置也符合预期的情况，因此UDM 完全可以正确而高效地工作。

　　图5 在第44 行断点处显示的调试信息

　　在开发一款信号处理芯片的FPGA 原型设计中，跟踪处理、电文处理、整体流程控制分别由一个PicoBlaze 完成，并且由于FPGA 资源的限制采用大型处理器来替代上述处理器几乎不可能。由于输入PicoBlaze 的数据和控制信号复杂，仿真验证不能很好地覆盖各种实际的使用情形。通过使用这里的基于PicoBlaze 处理器设计的UDM，方便地实现了对上述3 个PicoBlaze 的在线调试，对提高开发效率发挥了重要作用。在其他使用PicoBlaze 的工程应用中，上述UDM 也得到了很好的推广。

　　5 结束语

　　设计了一种通用调试模块，用于辅助无调试接口的处理器建立标准的调试机制。通过该模块的使用，提出了一种通用、标准、方便的调试方法，很好地满足了在SOPC 系统中对多个没有调试接口的小巧型处理器实现在线调试的迫切需求。新方法通过产生调试中断使处理器跳转到调试服务程序中的方式实现处理器的挂起，通过基于双端口RAM 中一种巧妙的地址映射机制实现同时对多行代码设置断点的功能，通过调试服务程序实现数据搬移等调试命令。新方法还具有易于扩展，可以同时调试多个嵌入式处理器的优点。新的调试方法在工程实践中对提高调试效率发挥了重要作用，是一种普适的，应用价值明显的调试方法。