用于軟件驗證的硬件加速仿真之一：物理和虛擬探針

在驗證領域，虛擬探針增強了硬件加速仿真作為數(shù)據(jù)中心資源對硬件設計人員和軟件開發(fā)人員的吸引力。

硬件加速仿真不斷證明它本身就是一種便利的工具，既可用于硬件/軟件協(xié)同驗證，也可用于測試硬件和軟件的集成。

啟動操作系統(tǒng)并執(zhí)行軟件應用程序需要經(jīng)過數(shù)十億個驗證周期 — 傳統(tǒng)的基于軟件的分析工具無法勝任這項任務。只有基于硬件的驗證引擎才可提供應對這一挑戰(zhàn)所需的吞吐量。正因為如此，硬件加速仿真和 FPGA 原型設計才會成為當今設計和驗證團隊的驗證工具箱中的必備引擎。

通過硬件加速仿真和 FPGA 原型設計，嵌入式軟件開發(fā)人員能夠驗證嵌入式軟件并執(zhí)行系統(tǒng)驗證，這是一項極具吸引力的功能。只有通過硬件加速仿真，他們才能確認嵌入式系統(tǒng)軟件能夠與底層硬件協(xié)同工作，因為 FPGA 原型設計沒有提供可調試內(nèi)部工作的硬件設計可見性。

另外，在設計周期中，項目組成員可以使用硬件加速仿真的時間通常遠早于使用 FPGA 原型的時間。因此，使用硬件加速仿真技術，軟件開發(fā)團隊開始進行驗證的時間要早于使用 FPGA 原型的情況。

硬件工程師也可以認識到在硬件加速仿真上運行軟件的優(yōu)勢。當實際軟件產(chǎn)品第一次在硬件上運行時，它幾乎總會暴露出硬件錯誤，即使最全面的驗證方法也會遺漏一些錯誤。及早運行軟件可以暴露出這些錯誤，以便我們加以解決。這樣不僅簡單，而且成本較低。

物理探針

過去，軟件開發(fā)人員使用物理 JTAG 探針來調試在硬件加速器上運行的代碼(圖 1)。JTAG 標準定義了一系列信號，以及通過四管腳接口讀取和寫入物理芯片中的寄存器的方法。這種做法的初衷是提供一種測試芯片的方法，讓測試工程師窺探封裝芯片的內(nèi)部，確認它是否正常工作。

軟件開發(fā)人員意識到他們可以使用相同的接口，讀取和寫入芯片中的處理器的通用寄存器。能夠讀取和寫入處理器的主寄存器，意味著他們可以調試在處理器上運行的程序。

通過一些巧妙的接口，他們可以使用嵌入式調試器(例如 Lauterbach 的 Trace-32 或 ARM 的 DS-5)，將命令發(fā)送到 JTAG 探針，以提取或設置連接到探針的板載處理器的狀態(tài)。這是開發(fā)人員運行和調試嵌入式系統(tǒng)上的“裸機”程序和驅動程序的最常用方法。

使用當今的硬件加速仿真系統(tǒng)，可通過連接到外部器件的任何 I/O 卡，輸出設計的任何信號。這種方法可用于輸出 JTAG 接口的四個信號。通過將這些來自硬件加速器中的設計的信號連接到 JTAG 探針，軟件開發(fā)人員能夠在硬件加速仿真設計上，執(zhí)行與在原型板上相同的調試工作。

由于 JTAG 探針將在設計后期用于原型板上，并且可能還在后續(xù)項目中使用，因此軟件開發(fā)人員一般都了解該探針的使用方法和作用。在硬件加速仿真設計上調試軟件時，軟件開發(fā)人員自然會采用這種熟悉的工具。

雖然 JTAG 接口讓調試器能夠直接讀取和寫入寄存器，但要正確地調試程序，還需要能夠讀取和寫入內(nèi)存并且控制程序的執(zhí)行。為了滿足這種需求，處理器設計人員添加了調試器可訪問的寄存器，以便將內(nèi)存讀取和寫入指令插入到執(zhí)行管道中。這樣一來，調試器就能夠完全訪問設計中的所有內(nèi)存和內(nèi)存映射的器件。

另外，這些設計人員還采用了斷點寄存器和其他調試支持電路，從而令 JTAG 調試器能夠控制程序的執(zhí)行。這意味著，通過連接至處理器的 JTAG，調試器能夠顯示程序源代碼、處理器的寄存器、內(nèi)存、變量以及程序的堆棧。因此，調試器能夠設置斷點，運行和單步調試程序，而這些正是軟件開發(fā)人員期望現(xiàn)代化軟件調試環(huán)境能夠提供的功能。

處理 JTAG 探針問題

雖然 JTAG 探針實現(xiàn)了在硬件加速仿真設計上的軟件調試，但它也有缺點。第一，JTAG 探針和在硬件加速器中運行的設計都有它們自己的自激時鐘。為了保持同步，這些時鐘必須維持一致的速度。如果做不到，調試器和設計之間的連接將會丟失。

很多情況下，需要重置探針;而有些時候，還將需要重置設計本身。有時減慢甚至停止硬件加速器中的設計時鐘是非常有用的，因為這樣可以采集和上載設計上的波形。這樣一來，開發(fā)人員就能夠查看設計的狀態(tài)，或者對設計進行強制賦值，使其變換到新值。實質上，如果硬件加速器上的時鐘不能減慢或停止，硬件開發(fā)人員將會丟失諸多硬件調試功能。

使用 JTAG 探針存在的第二個問題是性能。由于存在兩個獨立的時鐘域，一個在硬件加速器上，另一個在探針上，數(shù)據(jù)將在兩個域之間傳遞，就會產(chǎn)生跨時鐘域問題。為了解決這個問題，探針上的時鐘速度通常低于處理器的時鐘速度。在原型板上，處理器的時針速度可達到幾百兆赫甚至千兆赫，這不是問題。但在硬件加速仿真中，時鐘運行速度為一兆赫或兩兆赫，這可能讓速度減慢很多。

例如，在 ARM Cortex-A57 中分步運行單個指令，需要超過 400 萬個比特的 JTAG 掃描鏈活動。如果處理器的時鐘在 2 MHz 的頻率下運行，JTAG 時鐘的頻率是它的四分之一，也就是 500 kHz，則在分步運行之后，需要 8 秒才能更新調試器中的視圖。

另一個性能問題是程序下載時間。軟件開發(fā)人員使用掃描鏈，通過 JTAG 探針將程序下載到目標。如果程序很大，則將程序加載到存儲器可能要花費一個小時甚至更長時間。大多數(shù)軟件開發(fā)人員無法接受這種性能水平。

JTAG 事務處理器

有一種使用 JTAG 調試器的方法可以消除這些問題。硬件加速仿真系統(tǒng)能夠通過電路和硬件加速器內(nèi)置的編程功能，驅動和采樣設計中的任何信號。我們無需通過 I/O 卡從設計中采集信號，然后使用物理探針予以驅動，而是可以使用“事務處理器”，通過編程方式驅動設計中的 JTAG 信號。與物理探針相同，事務處理器也可以驅動相同的信號，使其變換到相同的值，從而提供相同的調試功能。

由于設計和 JTAG 事務處理器都在硬件加速仿真系統(tǒng)的控制下，因此時鐘由硬件加速器控制。時鐘域可以同步，因此能消除多個時鐘的問題。