嵌入式系统片上调试研究

论文摘要

嵌入式系统的开发和芯片设计过程中,有效的调试方案可以帮助开发者更快定位设计中的缺陷,从而缩短开发周期。本文研究嵌入式系统的片上调试机制,主要包括标量处理器的精确异常调试模型,软件调试器和多核嵌入式调试方案。论文针对调试的低入侵性和可移植性建立了流水线相关的精确异常调试模型,模型通过增加精确调试异常的产生、处理机制,片外调试存储空间和基于JTAG的快速通信协议,实现一种通过JTAG接口的嵌入式处理器核的片上调试方案。模型在RISC32E中的应用表明,该调试模型具有良好的可观察性、可控制性、低入侵性和高效的调试效率。RISC32E片上调试的良好兼容性使其可以使用第三方商用调试器,但是这些调试器的不可扩展性限制了它们的使用范围。为了提高调试器的可扩展性,我们开发了更加灵活的调试器RDView。设计采用分层的软件设计方法,将RDView分为应用层,仿真控制层和通信层。根据RISC32E片上调试的硬件实现,RDView增加了对调试存储的有效分配和管理。实验表明,RDView具有较好的可扩展性。论文从多核嵌入式系统调试(Multiprocessor Embedded Systems Debug,MESD)的计算单元可调试性和处理器核间通信的可调试性两个方面提出调试方案。MESD通过增加系统级TAP和跟踪监控器研究了多核系统中计算单元与内核通信的可调试性,以一个RISC32E核和两个MD32核构成的多处理器系统为例分析了多核系统片上调试方案的可行性和RDView在多核系统中的可重用性。实验结果表明,MESD是一种可重用性高的多核嵌入式系统调试方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 可调试性的概念与作用
• 1.3 嵌入式系统与交叉调试
• 1.3.1 嵌入式系统简介
• 1.3.2 交叉调试
• 1.3.3 交叉调试通信接口
• 1.4 可调试性的研究现状与问题
• 1.4.1 软件监控技术
• 1.4.2 在线仿真器
• 1.4.3 片上调试技术
• 1.4.4 TRACE调试技术
• 1.4.5 调试方法的类比
• 1.5 论文主要工作与内容安排
• 1.5.1 论文主要工作
• 1.5.2 论文内容安排
• 第二章 精确调试异常模型与RISC32E的可调试性设计
• 2.1 精确调试异常模型
• 2.1.1 精确异常与中断
• 2.1.2 流水线结构与精确异常与中断
• 2.1.3 流水线相关的精确调试异常模型
• 2.1.4 多周期指令与精确调试异常
• 2.2 RISC32E的可调试性设计
• 2.2.1 RISC32E处理器
• 2.2.2 调试相关指令与存储扩展
• 2.2.2.1 RISC32E调试相关指令扩展
• 2.2.2.2 CP0寄存器的扩展
• 2.2.2.3 调试态的地址空间
• 2.2.3 RISC32E的精确调试异常的触发
• 2.2.3.1 调试中断
• 2.2.3.2 调试启动异常
• 2.2.3.3 软件断点
• 2.2.3.4 单步异常
• 2.2.3.5 指令断点
• 2.2.3.6 数据断点
• 2.2.3.7 各种调试异常的特点
• 2.2.4 RISC32E的精确调试异常的处理机制
• 2.2.5 JTAG通信接口的设计
• 2.2.5.1 TAP控制器
• 2.2.5.2 Probe与微处理器的通信协议
• 2.2.6 快速通信方式
• 2.2.7 验证平台与实验结果
• 2.2.7.1 验证平台与调试流程
• 2.2.7.2 调试中基本操作的实验结果
• 2.3 本章小结
• 第三章 RISC32上位机调试器的设计
• 3.1 调试器的介绍与基本调试过程
• 3.2 RISC32E与第三方调试器的兼容
• 3.3 调试器的设计方案
• 3.3.1 调试器的软件子平台与实现框架
• 3.3.2 命令解析
• 3.3.2.1 结构指针数组
• 3.3.2.2 命令调度器
• 3.3.3 命令执行
• 3.3.3.1 TAP状态机
• 3.3.3.2 调试存储空间
• 3.3.3.3 处理器接口模块
• 3.3.4 并口驱动与协议转化
• 3.3.5 调试器RDView的特点
• 3.4 调试器的验证平台与结果
• 3.4.1 调试器验证平台
• 3.4.2 RDView与第三方调试器的比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 多核系统的可调试性设计研究
• 4.1 多核系统简介
• 4.2 多核系统调试的现状与难点
• 4.2.1 多核系统调试的现状分析
• 4.2.2 多核系统中Computation的调试难点
• 4.2.3 多核系统中Communication的调试难点
• 4.3 多核系统的可调试性设计模型
• 4.3.1 多核系统中Computation可调试性设计模型
• 4.3.1.1 基于JTAG接口的可重用 IP
• 4.3.1.2 系统级TAP控制器
• 4.3.1.3 调试接入口DA
• 4.3.1.4 多核系统中Computation的可调试性设计的特点
• 4.3.2 多核系统中Communication的可调试性设计模型
• 4.3.2.1 捕捉器
• 4.3.2.2 监控点生成器
• 4.3.2.3 监控网络接口
• 4.3.2.4 模型的工作流程
• 4.3.2.5 模型的特点
• 4.4 多核系统可调试性设计模型实例研究
• 4.4.1 实例研究平台
• 4.4.2 MD32的可调试性设计
• 4.4.2.1 JTAG调试接口
• 4.4.2.2 可调试性设计
• 4.4.3 研究实例Computation可调式性硬件设计
• 4.4.4 研究实例Communication可调式性硬件设计
• 4.4.5 多核系统调试器的设计
• 4.4.5.1 第三方调试器在多核系统中的可重用性
• 4.4.5.2 RDView的可扩展性
• Dview的设计思想'>4.4.5.3 调试器MP_Dview的设计思想
• 4.5 多核调试的验证实例
• 4.5.1 Computation的可调试性验证
• 4.5.2 Communication的可调试性验证实例与分析
• 4.6 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 作者攻读硕士期间发表的论文
• 作者攻读硕士期间参加的科研工作
• 致谢