嵌入式系統(tǒng)除錯的工作量，可望占了嵌入式軟體專案工作量的一半以上。了解硬體除錯功能以及它們所能解決的問題，是選擇正確的晶片、建立除錯系統(tǒng)以及提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。
很多人都相信"臭蟲(bug)"此一用詞起源于海軍少將 Grace Murray Hopper。但事實上，沒人知道這種用法的真正來源，它可能可以回溯到 Thomas A Edison，或甚至更早。美國海軍后備役軍官 Hopper 在 1945 年 9 月 9 日于哈佛大學對 Mark II Aiken 繼電計算器( Relay Calculator)進行測試時，于短路的 Panel F #70 號繼電器處發(fā)現(xiàn)了一雙臭蟲。她把這只臭蟲拿掉后(就是對電腦進行除臭蟲(debugging))，就解決了這臺機器不定時關(guān)機的故障(參考文獻 1)。雖然這個早期的例子指的是從系統(tǒng)硬體中去除臭蟲，但今天"debugging"這個詞是指發(fā)現(xiàn)一個程式的問題，并去掉缺陷代碼(defective code)的過程。這些問題包括任何與原始意向的差異，而去掉缺陷代碼的做法則遠優(yōu)于增加糾正代碼(correction code)。理想情況下，在任何時間都可以獲得所有的特性(如系統(tǒng)的匯流排與暫存器值)，供監(jiān)控與修改。但隨著 IC 轉(zhuǎn)向 SoC，可存取性(accessibility)就變得更加困難了。
對硬體除錯，是要盡可能地可以存取到嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部資源，這可以透過觀察系統(tǒng)的特性，如 CPU 狀態(tài)和 PC 值，或修改系統(tǒng)的參數(shù)。在嵌入式系統(tǒng)設計的早期可以用簡單技術(shù)進行除錯，如記錄(logging)與監(jiān)控，或者對多核心 SoC而言，可以采用最新開發(fā)的方法，如跟蹤、緩衡記憶體除錯(cache debugging)和交叉觸發(fā)(cross-triggering)等。本文的重點不是在如何編寫代碼或為代碼除錯，而是描述現(xiàn)在可用的嵌入式硬體硅智財權(quán)(intellectual property ，IP)，以及該 IP 能解決哪方面的除錯問題。
記錄與監(jiān)控
最古老也是最常用的除錯方法就是在代碼中增加一些列印敘述(print statement)，它可以顯示軟體某個部分的執(zhí)行資訊，并提供暫存器和變數(shù)的實際值。這可能是一年級學生練習"hello world"的一種延續(xù)，該程式會在熒幕上顯示這兩個詞，用于表示程式能夠運行，以及執(zhí)行到了某個點。列印敘述(或 printf 語句)只是記錄的一種變型，它是用處理器將重要資訊寫入一個"管道(pipe)"，作為外部跟蹤的過程。所使用的管道將視系統(tǒng)而訂，在 printf 情況下，管道是標準的輸出(熒幕)，但它也可以是 UART、USB，甚至是通用 I/O。
當你需要用一種對程式設計工程師有意義的方式，組織各個部分資訊時(例如提供感測器資訊或狀態(tài)機的轉(zhuǎn)換)，采用記錄的方法是很有價值的?？梢杂糜涗浌ぞ邅矸治鲇涗浀馁Y訊，并產(chǎn)生一個后處理資料庫。必須小心使用記錄功能才能獲得高效率。例如，記錄資訊應使用關(guān)鍵字開頭，如"警告"、"錯誤"或"除錯"等，并應能識別出資訊的建立者。應將記錄功能劃分為一小組檔案，以便于維護，并提供時間戳資訊。不幸的是，記錄是一種侵入性的方法，它會修改軟體的即時狀態(tài)，因而不同于最終應用。
除錯監(jiān)控器是另一種常見的除錯工具，它與運行在 CPU 記憶體中的目標代碼一起工作(參考文獻 2 和參考文獻 3)。除錯器運行在一臺主機上，它透過一個專用的埠發(fā)送指令和接收響應，從而達到與監(jiān)控器通信的目的?？梢詫?Linux 上的 gdbserver 程式當作一個除錯監(jiān)控器，不過它比早期的 ROM 監(jiān)控器更復雜
(圖 1)。
當使用者希望在某條指令處設置一個中斷點時，gdbserver 會保存該指令，而用一個系統(tǒng)呼叫(system call)來替代它。Gdbserver 然后用 Linux 的 ptrace 程式獲得所有進行系統(tǒng)呼叫的應用程式資訊。接著，當發(fā)生系統(tǒng)呼叫而啟動中斷點時，gdbserver 可以取得對被除錯應用的控制。除錯器運行在一臺主控機上，透過串列埠或乙太網(wǎng)路連接到目標物件(參考文獻 4)。監(jiān)控器的方法既便宜又實用，但也有一些缺點，例如需要在進行任何除錯前載入代碼，并可能與應用軟體相互影響。如果代碼位于快閃記憶體中就不能使用監(jiān)控器軟體，因為要插入軟體中斷點就需要修補應用軟體。
內(nèi)電路模擬
內(nèi)電路模擬器(in-circuit emulator ，ICE)是第一種以硬體為基礎(chǔ)的除錯技術(shù)，它是所除錯處理器的一個版本。ICE 通常使用一顆現(xiàn)場可編程閘陣列(field-programmable gate array，F(xiàn)PGA)。FPGA 外合(bond out)其內(nèi)部匯流排和狀態(tài)信號，而讓使用者可以使用它們(圖 2)。
ICE 提供的除錯功能多于 ROM 監(jiān)控器。使用 ICE 時，必須用一個連接到 ICE 盒的連接替換待除錯電路板上的處理器。一個運行并模擬除錯器功能的主機控制這個 ICE 盒。ICE 的主要局限性之一是它的價格昂貴。另外，雖然這個方法很適合簡單的處理器，但現(xiàn)代 SoC 有更高的復雜性、整合度和頻率，因此 IC 供應商難以為現(xiàn)代處理器提供 ICE 版本。
一些歐洲公司在1985 年成立了聯(lián)合測試活動組(Joint Test Action Group，JTAG)，這個聯(lián)盟嘗試要解決測試半導體 IC 的各種問題。它們?yōu)?IC 的邊界掃描測試建立了 IEEE 1149.1 標準，并在 1990 年公布了此一標準(參考文獻 5 和 圖 3)。
JTAG 標準定義了一個有限的 I/O JTAG 埠，有多達五個信號，透過串列通信完成電路的測試與分析：測試時鐘(test clock，TCK)、測試模式選擇(test-mode select，TMS)、可選的測試重定(test reset， TRST)、測試資料登錄(test-data in ，TDI)和 測試資料輸出(test-data out，TDO)。
IEEE 將 JTAG 硬體建立在一個 16 態(tài)的有限狀態(tài)(finite-state)機上，并由 TMS 信號控制。TCK的上升沿時鐘(rising- edge clock)擷取到此一 TMS 信號。資料資訊在TDI 墊(TDI pad)移入，并在TDO 墊移出。最后用 TRST 來對設計重新設定。IC 的每個墊都可以增加掃描暫存器，并將它們內(nèi)部連接起來構(gòu)成一個邊界掃描鏈?？梢酝高^ TDI/TDO 和 JTAG 命令將此鏈移入和移出，以測試電路板上的外部連接，測試 IC 內(nèi)部的邏輯連接，擷取 IC 墊的值，并將 JTAG 置于旁路模式。JTAG 提供了低成本的製造測試功能，并成為最常用的測試方法。但是，由于它有易于使用、高可用性和低成本實現(xiàn)的特點，設計者經(jīng)常會把 JTAG 當作除錯埠，以存取片上的除錯資源(參考文獻 6)。
JTAG 是除錯通信的傳輸層，位于運行在主機上的除錯器與嵌入式處理器除錯資源之間。命令被移入命令暫存器，以存取除錯中的硬體 IP。由于 ICE 增加了成本，很多半導體供應商將更多除錯硬體整合在晶片上，以解決除錯限制的問題，并提供與 ICE 相似的功能。片上除錯硬體的一種常見實現(xiàn)是飛思卡爾半導體公司在 68-kbit Coldfire 嵌入式處理器和 PowerPC(現(xiàn)在是 Power 架構(gòu))處理器上的背景除錯模式(background debugger mode ，BDM)。其他供應商也有相似功能的專有名稱。
片上除錯硬體增加了一些功能，如硬體中斷點、內(nèi)部暫存器存取、讀/寫到記憶體，以及觀察點(watchpoint)等，這些功能以前只能透過 ICE 使用。在一個多處理器 SoC 中，可以將每塊晶片除錯硬體連接到主 JTAG 控制器。不同供應商的連接可能有所不同，但典型的作法是在片上除錯 JTAG 狀態(tài)機和主除錯器之間建立起一個 TDI-TDO JTAG 鏈(圖 4)。
跟蹤
即時系統(tǒng)除錯中最大的問題之一就是海森堡的臭蟲(Heisenberg bug)，或探針效應(probe effect)：為除錯或監(jiān)控而增加的任何軟體或硬體都可能改變即時系統(tǒng)的行為。當增加用于剖析、除錯或監(jiān)控資訊的軟體時，就會發(fā)生這種情況。使用除錯硬體時也會有類似的影響。例如，片上除錯硬體可能將處理器的執(zhí)行流程修改到插入中斷點處，或者用于剖析的硬體可能"偷取(steal)"從處理器到記憶體的部分頻寬，以便用來保存剖析的資訊。
除錯硬體還可能以 UART 連接來記錄資訊，而產(chǎn)品軟體也可能使用這個介面。ICE 通常提供非侵入式的跟蹤功能，開發(fā)者可以在任何時候存取處理器的程式計數(shù)器。越來越多的 SoC 供應商正在把跟蹤硬體整合到晶片上，以提供類似的功能(圖 5)。
透過專用的跟蹤硬體、專用的跟蹤埠、跟蹤資料與處理器資料分離的資料匯流排，以及 JTAG 介面，使跟蹤硬體得以實現(xiàn)非侵入式的跟蹤。
使用者可以利用一個跟蹤埠來擷取跟蹤資訊。在這種方式下，將一個跟蹤盒或邏輯分析儀連接到跟蹤埠，以重建資訊并讓它們與原始碼建立關(guān)聯(lián)性。另一種擷取跟蹤資訊的方法是使用一個虛擬跟蹤緩衝記憶體，處理器記憶體將跟蹤資訊存入緩衝記憶體，而當測試結(jié)束時由主機(例如透過 JTAG 埠)來檢索(retrieve)這些資訊。第叁種方法是使用一個專用的跟蹤緩衝記憶體，專門用來保存跟蹤資訊，這可以讓主機在測試結(jié)束時檢索。
全球嵌入式處理器除錯介面(Global Embedded Processor Debug Interface)的IEEE-ISTO 5001TM 2003 Nexus 5001TM 論壇標準可為嵌入式處理器的軟體發(fā)展和除錯提供一個開放而通用的介面(參考文獻 7)。Nexus Forum 在 1998 年開始運作，在1999 年發(fā)表了第一個 Nexus 標準，并在 2003 年做了更新。其目標是，在嵌入式系統(tǒng)除錯與工具領(lǐng)域多個供應商的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，實現(xiàn)片上除錯功能與介面的標準化。由于該論壇的多個供應商已經(jīng)為片上除錯提供了專有產(chǎn)品，因此基本的片上除錯要求已經(jīng)足以輕鬆地達到 Nexus 的符合性。好處是 Nexus 跟蹤介面的標準化，例如跟蹤功能、信號、消息協(xié)定和應用編程介面(application-programming interface，API)。同時，標準化還為供應商的定制化提供充分的空間。Nexus 標準最初是針對汽車應用的，現(xiàn)已快速擴充到無線與網(wǎng)路市場。
多核心除錯
緩衡記憶體能提供高性能，但卻難以除錯，因為它們將 CPU 的執(zhí)行情況與外部記憶體匯流排隱藏起來，并且難以了解到核心與 DMA 或加速硬體之間的一致性。嵌入式跟蹤硬體有助于解決這個問題，因為被跟蹤的匯流排通常是虛擬的(在緩衡記憶體以前)，而非實體的。跟蹤緩衝記憶體前、后的匯流排也非常有助于更完整地了解緩衡記憶體的行為(圖 6)。
兩個跟蹤結(jié)果的比較，能夠提供快取失敗(cache miss)的良好指示，此時緩衡記憶體造成對實體匯流排的存取。這種方法有助于減少快取失敗，并提高軟體的性能。另一種方法是增加嵌入式的緩衡記憶體除錯硬體，在除錯模式下讀取緩衡記憶體內(nèi)容，或?qū)懭刖徍庥洃涹w。這種方法通常采用緩衡記憶體除錯暫存器形式，并透過軟體或 JTAG 埠存取。使用者使用除錯器可以暫停程式的執(zhí)行，并檢查緩衡記憶體的內(nèi)容。使用者可以用這個資訊解決各種緩衡記憶體清除問題，如無效、同步或溢出。
現(xiàn)代 SoC 經(jīng)常在一顆晶片內(nèi)整合多個處理器，用傳統(tǒng)的除錯硬體難以對多個核心之間的互通性進行除錯。有一種最新出現(xiàn)的除錯技術(shù)叫交叉觸發(fā)(Cross-triggering)，它成為對復雜多核心 SoC 除錯的常用方法(參考文獻 8)。該方法的原理是將一個核心域的事件轉(zhuǎn)換到其他核心域或相同核心域的產(chǎn)生觸發(fā)器(generate trigger)上。典型事件是進入除錯模式、發(fā)生中斷、出現(xiàn)觀察點，以及出現(xiàn)中斷點。輸入觸發(fā)器一般是除錯要求。觸發(fā)器產(chǎn)生一個除錯要求、一個中斷，或一個 SoC 墊(SOC pad)的突波雜訊(glitch)。它們都可以啟動或停止處理器上的跟蹤。觸發(fā)器的組合將所有彈性留給了最終使用者，使他們能夠設計出復雜的除錯序列?？梢栽?Core B 到達某個程式位址時，用交叉觸發(fā)器啟動 Core A 上的一個跟蹤，或當 Core A 進入除錯時，停止 Core B 的活動。
隨著對 SoC 尺寸壓力不斷地增加，低成本除錯可能成為嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)的圣杯。但是必須牢記一件重要的事：永遠不要在系統(tǒng)的除錯能力方面作出妥協(xié)。如果不能預先處理好系統(tǒng)的所有臭蟲，那么以后就無法獲得更大發(fā)現(xiàn)問題的機會。在減少嵌入式除錯硬體上所節(jié)省的成本，其代價可能是在專案后期付出更高昂的軟體除錯成本。另外還應記得，除錯與安全兩種要求是相互矛盾的。很多制造商現(xiàn)在交付產(chǎn)品時只是簡單地關(guān)掉除錯功能來防止駭客的攻擊。這種做法是不明智的。你永遠不可能預期會在現(xiàn)場遇到什么問題。比較好的做法是采用各種安全方式防止進入除錯部分，如用密鑰或熔絲(fuse)，這樣才不會危及你的除錯功能。