一種雙核SoC調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

虞致國，魏敬和

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，無錫 214035）

1 引言

傳統(tǒng)的SoC構(gòu)架在提高系統(tǒng)整體性能上已出現(xiàn)了一些瓶頸，多核SoC 正成為集成電路設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)之一[1]。多核SoC指的是一個(gè)SoC中包含2個(gè)或2個(gè)以上的處理器核，這些處理器的類型可能是異構(gòu)的[2]。由于性能和功耗等方面的原因，高性能嵌入式系統(tǒng)多采用片上異質(zhì)多處理器系統(tǒng)。在開發(fā)復(fù)雜SoC應(yīng)用時(shí)，芯片的調(diào)試手段直接關(guān)系到開發(fā)的效率和進(jìn)度，決定了應(yīng)用的質(zhì)量。沒有調(diào)試硬件環(huán)境支持的追蹤調(diào)試已經(jīng)不能勝任復(fù)雜SoC的應(yīng)用[3]。

另一方面，在SoC開發(fā)過程中，調(diào)試系統(tǒng)本身的驗(yàn)證非常重要。對于調(diào)試系統(tǒng)的驗(yàn)證，由于沒有相應(yīng)的RTL驗(yàn)證環(huán)境，一般都放在FPGA原型驗(yàn)證階段進(jìn)行，并借助于一些邏輯分析儀對仿真波形進(jìn)行采樣分析，延長了系統(tǒng)驗(yàn)證時(shí)間且降低了驗(yàn)證效率[4-5]。

在某控制雙核SoC的硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，提出了一種基于JTAG的片上調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；基于SystemVerilog DPI[7]和Real View調(diào)試器，提出了一種雙核SoC的片上調(diào)試系統(tǒng)虛擬驗(yàn)證環(huán)境。在該驗(yàn)證環(huán)境中，利用DPI將軟件調(diào)試器集成到驗(yàn)證過程中，可完成RTL級(jí)的JTAG調(diào)試接口仿真與驗(yàn)證。該方法能夠?qū)⒁郧癋PGA原型驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)的調(diào)試系統(tǒng)錯(cuò)誤提前到系統(tǒng)仿真驗(yàn)證階段，縮短了系統(tǒng)周期，提高了驗(yàn)證效率。

2 異構(gòu)雙核SoC的結(jié)構(gòu)

某異構(gòu)雙核SoC面向工業(yè)控制、多媒體應(yīng)用及其他消費(fèi)類電子設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該SoC包括一個(gè)高性能具有較強(qiáng)運(yùn)算能力的ARM7以及一個(gè)控制能力較強(qiáng)但占用資源較小的80515處理器核。整個(gè)SoC有以下幾個(gè)主要部分：ARM7子系統(tǒng)、80515子系統(tǒng)、共享總線以及共享存儲(chǔ)器。另外，SoC還包括PLL、時(shí)鐘及復(fù)位模塊和相關(guān)的配置單元。雙核通過共享固定內(nèi)存單元的機(jī)制進(jìn)行通訊，來協(xié)調(diào)完成各種操作。

3 調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 調(diào)試系統(tǒng)軟件

ARM調(diào)試軟件采用RealView[6]調(diào)試器，該調(diào)試器在綜合性能調(diào)試環(huán)境下提供最合適的調(diào)試功效。80515調(diào)試軟件采用Keil公司開發(fā)的Keil C51。Keil uVision集成開發(fā)環(huán)境開放了調(diào)試器與目標(biāo)硬件接口，即Advanced Generic Debug Interface（AGDI）。器件廠商只要為它們自己的8051產(chǎn)品設(shè)計(jì)專用的驅(qū)動(dòng)程序（動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL），就可以使Keil IDE的調(diào)試器在不改變圖形界面的情況下支持不同的硬件鏈接方法。

3.2 調(diào)試系統(tǒng)硬件

調(diào)試硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，包括ARM和80515各自的調(diào)試系統(tǒng)、交叉觸發(fā)模塊。該SoC的同步調(diào)試主要分為兩類[8]：（1）單步、運(yùn)行和停止（由用戶操作發(fā)出的命令）；（2）交叉觸發(fā)（處理器運(yùn)行過程中被觸發(fā)，需要在片內(nèi)預(yù)設(shè)配置寄存器進(jìn)行控制）。對寄存器和存儲(chǔ)空間的訪問，沒有采用同步機(jī)制，而是采用單核機(jī)制實(shí)現(xiàn)。

調(diào)試同步的寄存器在交叉觸發(fā)模塊（C r os s Trigger）中集中控制實(shí)現(xiàn)。Cross Trigger包含三個(gè)寄存器：交叉觸發(fā)命令廣播寄存器、軟件斷點(diǎn)同步配置寄存器、硬件斷點(diǎn)同步配置寄存器。交叉觸發(fā)模塊向CPU核發(fā)布命令來實(shí)現(xiàn)單步/運(yùn)行/停止的同步執(zhí)行功能、軟/硬件斷點(diǎn)的同步。

4 調(diào)試系統(tǒng)的驗(yàn)證

4.1 調(diào)試驗(yàn)證環(huán)境

結(jié)合集成調(diào)試環(huán)境和目標(biāo)芯片，可構(gòu)成一個(gè)片上調(diào)試功能的驗(yàn)證環(huán)境（如圖3所示）。該環(huán)境在UNIX環(huán)境中運(yùn)行。集成調(diào)試環(huán)境為軟件調(diào)試器，包括RealView調(diào)試器、Keil C51調(diào)試器，JTAG調(diào)試代理、虛擬并口驅(qū)動(dòng)、共享內(nèi)存區(qū)。為了實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證Tes t b en ch和集成調(diào)試環(huán)境的連接，我們基于SystemVerilog DPI編寫了一個(gè)調(diào)試DPI外殼。通過DPI，SystemVerilog可以調(diào)用所有的C/C++/System C的功能函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對共享內(nèi)存區(qū)的數(shù)據(jù)訪問。

在調(diào)試驗(yàn)證環(huán)境中，我們用C語言開發(fā)了一組程序，用以實(shí)現(xiàn)對并口內(nèi)存區(qū)的訪問。在調(diào)試外殼中，使用簡單的i m p o r t聲明把C函數(shù)導(dǎo)入到SystemVerilog中。驗(yàn)證環(huán)境中利用C語言函數(shù)調(diào)用共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。調(diào)試DPI外殼和驗(yàn)證Testbench一起采用VCS進(jìn)行編譯。

4.2 驗(yàn)證Testbench的設(shè)計(jì)

驗(yàn)證Testbench采用SystemVerilog[7]實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證Testbench結(jié)構(gòu)如圖4所示。驗(yàn)證Testbench模擬目標(biāo)芯片及芯片外圍環(huán)境，包括目標(biāo)SoC、外部存儲(chǔ)器、時(shí)鐘、復(fù)位等，采用RTL代碼及其他行為模型描述。在驗(yàn)證過程中，用HDL函數(shù)$readmem讀入功能仿真程序的十六進(jìn)制文件（.dat）。

4.3 驗(yàn)證過程

仿真軟件采用Synopsys公司的VCS軟件。該軟件是編譯器、仿真器和其他一些工具組成的工具集。調(diào)試DPI必須編譯并鏈接到Verilog仿真器。

仿真中，RealView和Keil C51界面把數(shù)據(jù)寫到內(nèi)存中的虛擬并口數(shù)據(jù)區(qū)，TAP中調(diào)用調(diào)試DPI外殼從這個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)中交換數(shù)據(jù)，這樣就在仿真器上實(shí)現(xiàn)了與主機(jī)調(diào)試軟件的通信。RealView和Keil C51本身支持源碼級(jí)調(diào)試，只要調(diào)試代理正確地實(shí)現(xiàn)了RealView及Keil C51的遠(yuǎn)程調(diào)試協(xié)議，本驗(yàn)證系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)源碼級(jí)調(diào)試。

5 結(jié)論

調(diào)試接口的設(shè)計(jì)是多核SoC設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，調(diào)試系統(tǒng)驗(yàn)證對于SoC的設(shè)計(jì)非常重要?；贘TAG接口和操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，文中實(shí)現(xiàn)了某控制多核SoC片上調(diào)試功能，可實(shí)現(xiàn)芯片的調(diào)試控制和存儲(chǔ)訪問。在此基礎(chǔ)上，提出和設(shè)計(jì)了一種基于SystemVerilog DPI和Real View、Keil C51已有調(diào)試功能的SoC調(diào)試系統(tǒng)驗(yàn)證環(huán)境。利用該平臺(tái)，在RTL仿真驗(yàn)證時(shí)便可以通過JTAG對基于ARM核 的SoC進(jìn)行調(diào)試，這使對SoC的調(diào)試從以往的FPGA驗(yàn)證提前到RTL仿真驗(yàn)證階段進(jìn)行，可有效縮短集成SoC設(shè)計(jì)周期，并提高SoC驗(yàn)證效率。

［1］成杏梅，劉鵬，鐘耿，等. 嵌入式MPSoC的調(diào)試功能實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2008，20（4）：438-445.

［2］邵利群，張文婷. 異構(gòu)多處理器系統(tǒng)芯片的設(shè)計(jì)與研究[J].中國集成電路，2008，17（3）：49-52.

［3］凱思·諾頓. 嵌入式系統(tǒng)的挑戰(zhàn)[J]. Information Quartely，2004，1：45-46.

［4］韓可，鄧中亮，施樂寧，等.針對JTAG調(diào)試的RTL驗(yàn)證環(huán)境設(shè)計(jì)原理[J].電子測量技術(shù)，2008，31（1）:72-76.

［5］虞致國，魏敬和. 一種基于JTAG的SoC片上調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2009，26（5）：5-8.

［6］ARM Limited．RealView Debugger Version 3.0TraceUser Guide[EB/OL].http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.dui0322a/Babgijgj.html/ARM DUI 0322A.pdf.

［7］Standard for SystemVerilog-Unified Hardware Design[C].Specification and Verification Language.IEEE Std 1800-2005.

［8］扈嘯，李杰，陳莉麗，等. 多核處理器YHFT-QDSP的調(diào)試系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程，2008，30（9）：116-118.