多核环境中的高效率调试方法

 
毫无疑问，多核多线程是未来处理器的发展方向。回首处理器的发展历程，并行技术从指令级的超标量发展到线程级的超线程或者并发多线程，再到今天处理器级的多内核，总的趋势都没有改变。英特尔、Sun和IBM等大公司目前已经投身到多核或者多线程技术的浪潮之中。当今的网络应用日趋复杂，对性能的要求不断提高，无论是需求推动技术，还是技术激发了新的需求，并行技术都将是未来信息基础设施建设的必然选择。


对于嵌入式装置而言，多核技术可以提供更高的处理器性能、更有效的电源利用率，并且占用更少的物理空间，因而具有许多单核处理器无法具备的优势。与多核解决方案如影随形的，就是多处理器技术，也就是在同一块电路板或同一个集成系统中包含多个处理器。


要想充分发挥多核以及多处理器解决方案的潜能，仅仅依靠强有力的芯片是不够的，还需要采用新的编程方法。伴随着新的编程方法，同样也需要新的调试方法和工具，才能确保软件和硬件开发人员在完整的多核系统环境中展开调试工作，同时对“编译—编辑—调试”的流程进行优化。


在传统上，JTAG调试技术主要是用于硬件Bring-Up，如今也常常被用于配合基于代理的调试（agent-based debugging）。然而，在多核和多处理的环境中，片上调试（on-chip debugging）正在扮演着越来越重要的角色，因为这种技术更便于隔离运行在单个或者多个内核中不同软件之间复杂的交互活动，从而帮助开发人员对操作系统或者中间件实施更加有效的调试。

认识多核基本架构


多核处理器在同一个芯片中植入了多个处理器引擎，这就可以提供更高的CPU性能、功能特性和分区能力。一般说来，多核有两种实现形式。


第一，SMP( Symmetric multiprocessing，对称多处理)。在这种情况下，开发人员面对的是单一的抽象化硬件平台，由SMP操作系统来决定具体由哪一个内核来运行哪个任务，其中每个内核都是相同的，而且在同一个操作系统的管理控制之下，共享同一个内存。


第二，AMP (Asymmetric multiprocessing，非对称多处理)。在这种情况下，各个处理器内核都运行着各自独立的操作系统。这种独立性意味着，其中各个处理器内核既可以是同构的，并且运行同样的操作系统，也可以是异构的并运行各自不同的操作系统。


多核环境显著增加了系统复杂度，因而在对操作系统和与多核相关的硬件进行调试的时候，就必须采用一整套更有效的工具。另外，尽管大家都认为多核就是指在同一个芯片中放入多个内核，但是在实际开发工作中所遇到的多处理问题，实际上不仅仅局限于在单一芯片中的多个内核。事实上，不论这些处理器内核是在同一个芯片之中，或者分布在同一个电路板中的多个芯片之中，甚至同一个系统中的多个电路板之中，开发人员都必须解决好多处理环境中的调试问题。相对于最近出现的单一芯片多核架构，有多个处理器芯片和多个处理器电路板组成的复杂系统已经存在很多年了。因此，多处理架构的调试问题其实早已存在，只是单一芯片内多核架构的普及将多处理系统调试问题更加尖锐地摆在了开发人员面前。


从这个意义上，多年前就开始从事多处理环境软件开发的厂商就积累了更丰富的经验，在应对多核软件开发方面站在了更为有利的地位。例如Wind River公司经典的实时操作系统VxWorks在多年前最初的设计思路就是基于多处理架构的，因此不论从运行环境还是开发调试工具任何一方面看，对于多核环境的适应能力都比其他工具要强得多。

认识多核调试难点


多核与多处理技术的融合为系统调试带来了许多新的挑战，因为系统复杂度不断增加，要通过优化硬件和软件来充分发挥其中的性能潜力，难度就更大了。其中最主要的难点有以下几个方面。


* 有效地管理内存和外设等共享资源；
* 在多内核、多电路板和多操作系统的环境中对操作系统和应用代码进行调试；
* 优化JTAG接口并充分利用JTAG带宽；
* 调试单一芯片中的同构和异构多核，进而实现整个系统的协同调试；
* 有效地利用JTAG与基于代理的调试方法，确保不同调试工具之间的顺畅协同；
* 确保多核环境中应用调试的同步机制。


对于多核JTAG调试来说，有三种主要的技术选择：第一，以单一JTAG接口支持所有内核的调试器；第二，在单一JTAG调试接口中采用独立调试器的JTAG多路（Muxing）技术；第三，JTAG链接器或者可编址扫描端口（Addressable Scan Port）。


在多核调试中，上述三个技术途径都是在处理同一个核心问题——由SoC厂商所提供的JTAG接口所造成的局限性。为了节省成本，许多SoC厂商都只为芯片提供单一的JTAG接口，而不理会其中包含了多少个内核。对于开发者来说，最大的挑战就是经济有效地使用这些接口来同步多核以及多处理的调试工作。其中，单一调试器方式采用IEEE 1149.1标准daisy-chain方法。

认识多核调试方法


对于多核架构来说，单一调试器的主流选项仍然是JTAG多路技术。这种技术对IEEE JTAG技术规范进行了拓展，以便为通过共享JTAG接口连接起来的每个内核提供独立的调试器。在多路技术的支持下，通过对希望调试的内核进行注册登记（Registering），开发人员可经由单一JTAG接口访问多个离散状态的内核。这种解决方案的最大优势在于它的连接和调试性能。因为多路技术单独连接到每个内核，因而避免了daisy-chaining方法中所遇到的比特位移(bit shifting)方面的麻烦，因而在单芯片中的多核系统中具有更高的性能。这种方式的另一个好处是不需要对开发工具进行修改，从而可以顺畅地应用在多个开发项目之中。


多路技术（Muxing）方法所存在的主要问题是在多内核调试过程中无法同时启动和停止内核来同步应用。如果要停止全部内核，开发人员只能顺序地逐个进行，这就导致了调用延迟问题。在调试过程中的延迟问题,会导致很难在内核之间的操作系统、中间件和应用中找到发生问题的确切位置，特别是当运行在不同内核之中的应用存在相互依赖性的时候，这个问题就更为突出。例如，某个产品包含DSP功能和ARM 9内核，其中DSP用来处理视频流，ARM 9内核提供文件系统，那么内核的启动与停止同步将会十分关键。如果调试过程中在ARM内核的启动和DSP的停止之间出现过多的延迟，DSP视频流数据很快就会溢满ARM文件缓冲区，而视频流也将会中止。如果出现这种情况，就很难判断系统中的问题出在哪里。而且，多路进程也给开发人员在故障排除时带来了许多新的问题，将会大幅度增加调试时间。


另外，如果在有多个厂商产品组成的异构多核环境中进行调试工作，例如处理器来自一个厂商，而DSP器件来自另一个厂商，还会有更复杂的问题需要处理。因为这种情况下的多路（Muxing）机制更为复杂，如果各部分之间的兼容性没有得到保证，也就很难保证系统正常运行。此时，仅仅依靠多路技术是无法解决问题的，开发人员就需要采用可编址扫描端口（addressable scan port），这也可能是最后仅有的方法了。这种架构需要用到非常特殊的组件，这些组件可以让开发人员把JTAG扫描链分割成多个功能组，并通过唯一的地址来访问每个功能组。这是一种多支路（multi-drop）架构，经常被用于底板（Backplane）环境之中。在这里，有一个分别可编址的扫描链在底板内实现路由（Routed）,从而使机箱中的每个底板都拥有自己专属的扫描链。这种架构的运行速度受限于可编址扫描端口的速度，最典型的情况是25MHz。


拥有先进多核调试工具


Wind River拥有的JTAG加速器和服务器技术可以显著降低JTAG序列包之间的空闲时间，完全充分地利用了可用的JTAG带宽。与JTAG有关的另一个问题涉及到调试能力，例如用停止请求信号来立即停止某个内核，或者用停止指示信号来停止某个内核并同步其他的内核的停止。与其他所有的局限性一样，这类问题也依赖于厂商的实现方法。


Wind River on-chip debugging(片上调试)解决方案可以同时启动和停止多个内核。实际上，Wind River提供的JTAG解决方案，也就是Workbench On-Chip Debugging，是以集中化的方式来实现多核和多处理的调试功能。这个解决方案可以在单一扫描链（Scan Chain）中同时调试多达8个内核。而且，不管这些内核处于同一个芯片之中、分布在线路板中的多个芯片或者分布在复杂系统中的多个线路板之中，Workbench On-Chip Debugging都能够应付自如。


在Wind River的多核解决方案中，开发人员可以同时停止或者启动任何内核,在一个或者多个内核上设置断点，其中还可以包括条件断点。此外，Workbench Eclipse框架和基于代理的调试方式使开发人员在单一控制台上即可管理多内核/多处理应用的开发。开发人员可以在JTAG调试和基于代理调试二者之间灵活地选择，例如在硬件Bring-Up、内核、中间件和其他应用功能调试的时候采用JTAG连接，然后在自己认为适当的时机平滑地转移到基于代理的调试，而这些调试工作都是围绕着同一个应用的。这些能力都会增加不同开发人员之间的协同能力，同时改善异常问题的判定效率。

结论


在多核开发中，JTAG调试可以承担非常有价值的角色，有效地改善“编辑-编译-调试”周期时间。然而，实现这一点的前提是把JTAG调试与基于标准的集成化开发环境（例如Eclipse）紧密地集成起来。最理想的技术方案是，在Daisy Chain中采用遵从IEEE 1149.1 JTAG标准的单一的JTAG调试器，而JTAG的主要作用是改善系统的吞吐能力和性能。