L-DSP片上調(diào)試電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

白創(chuàng) 李帆 汪東

摘? ?要：針對(duì)L-DSP的調(diào)試需求，設(shè)計(jì)了一種基于JTAG接口的片上調(diào)試電路.該調(diào)試電路實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)資源訪問(wèn)、CPU流水線控制、硬件斷點(diǎn)/觀察點(diǎn)、參數(shù)統(tǒng)計(jì)等調(diào)試功能.相對(duì)于傳統(tǒng)調(diào)試方式，本文電路通過(guò)增加DT-DMA模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在外設(shè)與內(nèi)存之間直接傳輸，極大地提升了調(diào)試效率.調(diào)試電路在0.18 μm CMOS工藝下實(shí)現(xiàn)，面積為167 234.76 μm2，功耗為8.89 mW.同時(shí)，調(diào)試電路與L-DSP全芯片在FPGA下進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，該調(diào)試電路調(diào)試功能完整且DT-DMA傳輸調(diào)試數(shù)據(jù)的速度是CPU傳輸?shù)?倍.

關(guān)鍵詞：調(diào)試;片上調(diào)試;JTAG接口;DT-DMA;DMA操作

中圖分類(lèi)號(hào)：TN495? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ??文章編號(hào)：1674—2974（2020）08—0069—05

Abstract：According to the debug requirements of L-DSP， an on-chip debug circuit based on JTAG interface is proposed in this paper， which implements the debug functions such as storage resource access， CPU pipeline control， hardware breakpoint/observation point， and parameter statistics. Compared with the traditional debug mode， the proposed debug circuit realizes the direct transmission of data between peripherals and memory by adding a DT-DMA module， which greatly improves the debug efficiency. The proposed circuit is designed in a 0.18 μm CMOS process with an area of 167 234.76 μm2 and a power consumption of 8.89 mW. And the proposed circuit and L-DSP are verified under the FPGA. The results show that the proposed circuit has complete debug functions and the rate of DT-DMA for transferring debug data is three times faster than that of the CPU.

Key words：debugging;on-chip debug;JTAG interface;DT-DMA;DMA operation

隨著半導(dǎo)體制造工藝的不斷進(jìn)步，芯片的集成度越來(lái)越高，實(shí)現(xiàn)的功能越來(lái)越復(fù)雜，使得芯片正確性調(diào)試與故障定位的需求難以得到保證[1]. 同時(shí)芯片的快速市場(chǎng)化又使得其研發(fā)周期越來(lái)越短. 因此，可靠的調(diào)試手段顯得尤為重要，準(zhǔn)確、快速的調(diào)試方法直接影響到芯片的開(kāi)發(fā)效率與進(jìn)度[2].

根據(jù)通信接口的不同，常用片上調(diào)試方法包括基于串口通信、基于BDM接口和基于JTAG接口3種調(diào)試方法.基于串口通信的調(diào)試方法，其功能雖然完善，調(diào)試過(guò)程也十分簡(jiǎn)便[3]，但因其占用芯片一些引腳資源，存在無(wú)法進(jìn)行自我調(diào)試等弊端，使得該方法在某些場(chǎng)合并不適用[4-5]. 而基于BDM接口的片上調(diào)試技術(shù)雖然被業(yè)界廣泛使用[6]，但是沒(méi)有相關(guān)協(xié)議支持邊界掃描功能，需要開(kāi)發(fā)者自行承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn).基于JTAG接口的調(diào)試方法是目前包含軍事領(lǐng)域在內(nèi)大部分芯片采用的調(diào)試方法，具有良好的靈活性和擴(kuò)展性且占用較少的引腳資源等特點(diǎn)[7-12]. 因此本文針對(duì)L-DSP調(diào)試需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種基于JTAG接口的調(diào)試電路來(lái)完成L-DSP的調(diào)試功能.傳統(tǒng)JTAG調(diào)試方法需要CPU傳輸調(diào)試數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)量過(guò)大時(shí)會(huì)占用CPU大量資源，導(dǎo)致調(diào)試效率不高. 為提高調(diào)試效率，本文在調(diào)試電路中增加DT-DMA模塊實(shí)現(xiàn)調(diào)試數(shù)據(jù)直接在外設(shè)與內(nèi)存之間傳輸，縮短調(diào)試周期.

1? ?片上調(diào)試電路設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)

在調(diào)試模式下，調(diào)試電路（Emulate and Test，ET）通過(guò)來(lái)自仿真器的串行輸入接收調(diào)試指令，經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換、異步時(shí)鐘處理、指令譯碼等操作來(lái)完成相應(yīng)的調(diào)試工作. 圖1為ET總體設(shè)計(jì)框架圖，包括ET調(diào)試端口、芯片存儲(chǔ)訪問(wèn)、流水線控制、事件分析、DT-DMA 5個(gè)部分，其中ET調(diào)試端口提供整個(gè)調(diào)試系統(tǒng)的控制機(jī)制，是調(diào)試軟件通過(guò)JTAG接口進(jìn)行系統(tǒng)訪問(wèn)的入口;事件分析模塊提供包括硬件斷點(diǎn)、 數(shù)據(jù)、地址觀察點(diǎn)，以及一些其他重要參數(shù)的統(tǒng)計(jì)等功能;DT-DMA模塊提供調(diào)試數(shù)據(jù)傳輸通路，調(diào)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出芯片時(shí)采用此條通路，不占用CPU資源.

1.1? ?ET調(diào)試端口

ET調(diào)試端口是ET的核心控制部分，是符合IEEE 1149.1協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[7]并擴(kuò)展的仿真調(diào)試端口，ET結(jié)構(gòu)如圖2所示. TAP（Test Access Port）控制器是一個(gè)同步有限狀態(tài)機(jī)，掌握著整個(gè)JTAG協(xié)議的狀態(tài)，其狀態(tài)遷移如圖3所示，通過(guò)TDI、TMS、TCK端口接收調(diào)試軟件發(fā)出的指令并進(jìn)行譯碼，發(fā)送具體命令給指定的模塊去執(zhí)行，通過(guò)TDO端口輸出芯片返回調(diào)試數(shù)據(jù)給調(diào)試軟件.

1.2? ?存儲(chǔ)訪問(wèn)與流水線控制

存儲(chǔ)訪問(wèn)部分提供調(diào)試軟件訪問(wèn)芯片存儲(chǔ)的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片內(nèi)外存儲(chǔ)空間以及特殊編制寄存器的讀寫(xiě)，使除開(kāi)受保護(hù)的地址區(qū)域外其余存儲(chǔ)資源對(duì)外是透明的. 整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，存儲(chǔ)訪問(wèn)模塊將ET內(nèi)寄存器空間和其他地址空間（Memory存儲(chǔ)和CPU寄存器）進(jìn)行區(qū)分，避免了即使訪問(wèn)ET內(nèi)部寄存器也需要繞到存儲(chǔ)控制器的情況，提高工作效率.

流水線控制部分實(shí)現(xiàn)調(diào)試軟件對(duì)處理器流水線的精確控制，指令包括暫停、運(yùn)行、復(fù)位CPU、單步執(zhí)行指令等.直接將來(lái)自ET調(diào)試端口的流水控制指令進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)發(fā)送給處理器.調(diào)試模式下，在控制CPU的同時(shí)會(huì)發(fā)出信號(hào)去控制相應(yīng)的外設(shè)，避免外設(shè)出現(xiàn)失控的情況.

1.3? ?事件分析

事件分析部分實(shí)現(xiàn)了硬件斷點(diǎn)、硬件觀察點(diǎn)、參數(shù)統(tǒng)計(jì)等功能.本文調(diào)試電路提供兩個(gè)硬件斷點(diǎn)、一個(gè)硬件觀察點(diǎn)和一個(gè)用于統(tǒng)計(jì)重要參數(shù)的計(jì)數(shù)器.硬件斷點(diǎn)用于監(jiān)控程序指令地址，設(shè)置一個(gè)硬件斷點(diǎn)寄存器用來(lái)保存目標(biāo)指令地址，將程序地址總線接入事件分析邏輯內(nèi)與目標(biāo)值進(jìn)行比較，程序運(yùn)行后當(dāng)程序地址總線上出現(xiàn)目標(biāo)值后ET立即發(fā)出流水線暫停信號(hào).硬件觀察點(diǎn)用于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)總線與地址總線上的值，行為與硬件斷點(diǎn)一致，工作流程如圖5所示. 參數(shù)統(tǒng)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)地址、數(shù)據(jù)等一些重要參數(shù)出現(xiàn)次數(shù)的統(tǒng)計(jì);搭配硬件斷點(diǎn)/觀察點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)從程序起始到硬件斷點(diǎn)/觀察點(diǎn)處指令運(yùn)行周期的統(tǒng)計(jì).

1.4? ?DT-DMA

DT-DMA是一條專(zhuān)門(mén)為調(diào)試數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的傳輸通路，用于代替CPU對(duì)調(diào)試數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并且在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中不會(huì)影響CPU的正常運(yùn)行. DT-DMA有兩種方式實(shí)現(xiàn)調(diào)試數(shù)據(jù)的傳輸，一是從開(kāi)始地址傳輸一定數(shù)據(jù)量的方式;二是從開(kāi)始地址傳輸至結(jié)束地址.DT-DMA接收到請(qǐng)求后會(huì)依次對(duì)存儲(chǔ)進(jìn)行訪問(wèn)，數(shù)據(jù)傳輸不占用CPU資源.

DT-DMA傳輸機(jī)制能被ET或CPU分時(shí)來(lái)控制，其請(qǐng)求處理流程如圖6所示，在Polite模式下仿真器的請(qǐng)求會(huì)受到調(diào)試掩碼寄存器的影響，掩碼為1時(shí)無(wú)法實(shí)時(shí)傳輸調(diào)試數(shù)據(jù);Rude模式下忽視掩碼寄存器.DT-DMA有搶先和非搶先兩種工作模式，搶先模式下，DT-DMA使用總線的優(yōu)先權(quán)高于CPU，會(huì)打斷CPU強(qiáng)制占用總線資源直到數(shù)據(jù)傳輸完成;非搶先模式下，DT-DMA利用CPU不使用總線的間隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.

2? ?ET邏輯功能驗(yàn)證與DC綜合

2.1? ?ET邏輯功能驗(yàn)證

采用Cadence軟件中的NC-Verilog仿真工具，根據(jù)JTAG協(xié)議，針對(duì)調(diào)試功能編寫(xiě)相應(yīng)的測(cè)試激勵(lì)輸入到調(diào)試電路邏輯，用Debug工具Verdi查看仿真結(jié)果，用IMC仿真工具查看代碼覆蓋率.

圖7為功能仿真示意圖，示例為ET內(nèi)寄存器讀寫(xiě)，將目標(biāo)數(shù)據(jù)給到ET_DataCPU寄存器中，在寫(xiě)使能有效時(shí)將數(shù)據(jù)寫(xiě)到指定地址（仿真中數(shù)據(jù)為0x566，地址為0x82e）;讀數(shù)據(jù)時(shí)，給出讀指令，在確認(rèn)讀數(shù)據(jù)信號(hào)有效后把返回的數(shù)據(jù)給到RSAC_DataToJIR寄存器中，圖7中可以看出寄存器讀寫(xiě)結(jié)果均正確. 同理，在相同環(huán)境下依次驗(yàn)證其他調(diào)試功能，調(diào)試功能均正確. 所有調(diào)試功能仿真完成后對(duì)代碼覆蓋率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，圖8為屏蔽了toggle后的代碼覆蓋率結(jié)果，結(jié)果表明覆蓋率達(dá)到100%.

2.2? ?DC綜合

采用Synopsys公司的Design Compiler綜合工具，在0.18 μm CMOS工藝下對(duì)本文調(diào)試電路進(jìn)行綜合.綜合時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為150 MHz，調(diào)試時(shí)鐘頻率為10 MHz，綜合后面積開(kāi)銷(xiāo)為167 234.76 μm2，功耗為8.89 mW.

3? ?FPGA原型驗(yàn)證

FPGA原型驗(yàn)證環(huán)境如圖9所示. 將L-DSP全芯片代碼固化至FPGA，采用TI公司的CCS調(diào)試軟件作為仿真工具，通過(guò)XDS仿真器與FPGA相連，針對(duì)每種調(diào)試功能，依次進(jìn)行驗(yàn)證. 驗(yàn)證同時(shí)，將JTAG信號(hào)用邏輯分析儀捕獲備份，經(jīng)過(guò)處理后返回編譯環(huán)境.

圖10為硬件斷點(diǎn)功能驗(yàn)證示意圖.在調(diào)試模式下，新建硬件斷點(diǎn)（圖中為0x84f8），運(yùn)行后CCS顯示程序停在了指令地址為0x0084f8的地方，與預(yù)期結(jié)果相同.同理，針對(duì)所有調(diào)試功能依次進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明調(diào)試功能均正確.

DT-DMA數(shù)據(jù)傳輸速度驗(yàn)證部分，分別用CPU和DT-DMA兩種方式從調(diào)試軟件傳輸同一段數(shù)據(jù)至FPGA，將邏輯分析儀抓取到的JTAG信號(hào)進(jìn)行整理，再用Debug工具Verdi查看波形，找到這段數(shù)據(jù)傳輸始末位置，對(duì)比兩種方式所用傳輸時(shí)間. 圖11展示了5次傳輸不同數(shù)據(jù)量的實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)了兩種數(shù)據(jù)傳輸方式所用的時(shí)間，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明DT-DMA所用傳輸時(shí)間明顯少于CPU.因?yàn)檎{(diào)試數(shù)據(jù)首先會(huì)被仿真器通過(guò)JTAG串行通信傳輸至ET，再由兩種傳輸方式傳輸至指定區(qū)域，所以數(shù)據(jù)傳輸速度會(huì)受到JTAG串行通信的限制，但實(shí)驗(yàn)表明，DT-DMA平均所用時(shí)間仍是CPU傳輸?shù)?2.15%.

4? ?結(jié)? ?論

針對(duì)L-DSP的調(diào)試功能，本文設(shè)計(jì)了一種復(fù)用JTAG接口的調(diào)試電路，能夠有效、快速地實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)空間訪問(wèn)、流水線控制、硬件斷點(diǎn)/觀察點(diǎn)、事件統(tǒng)計(jì)等調(diào)試功能.同時(shí)通過(guò)引入DT-DMA模塊實(shí)現(xiàn)調(diào)試數(shù)據(jù)在外設(shè)與內(nèi)存之間直接傳輸，經(jīng)FPGA原型驗(yàn)證，調(diào)試數(shù)據(jù)傳輸速度是CPU傳輸?shù)?倍，有效提升了調(diào)試效率.

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