虚拟GDB远程调试技术及其在硬件仿真器中的应用_黄侃.pdf
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1、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
2、 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
3、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
4、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 g
5、t 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 r
6、HUANGK 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,
7、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
8、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
9、 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
10、 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
11、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
12、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
13、 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
14、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
15、 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
16、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
17、 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
18、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
19、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
20、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
21、 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
22、 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
23、 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
24、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,
25、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
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- 虚拟 GDB 远程 调试 技术 及其 硬件 仿真器 中的 应用
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