使用軟件查找硬件錯(cuò)誤

有一個(gè)基本的自然法則適用于任何計(jì)算芯片，無論是處理器、微控制器還是片上系統(tǒng)：軟件總是會(huì)發(fā)現(xiàn)硬件錯(cuò)誤。在我的整個(gè)職業(yè)生涯中，我參與過的項(xiàng)目中沒有一個(gè)被證明是正確的。

如果你很不幸，在你制作芯片后軟件發(fā)現(xiàn)了一個(gè)錯(cuò)誤，那么接下來會(huì)發(fā)生什么取決于問題的嚴(yán)重程度。

如果它不是致命的，并且如果你很幸運(yùn)并且像一些知名處理器制造商那樣擁有市場力量，那么每個(gè)人都會(huì)圍繞這個(gè) bug 編寫代碼，然后所有未來的版本都必須復(fù)制這個(gè) bug 以實(shí)現(xiàn)向后兼容性。這不適用于我們大多數(shù)人。更傾向于：

您可能必須刪除不起作用的功能。

功率可能太高，或性能太慢，損害您的競爭力和獲得好價(jià)格的能力。

在最壞的情況下，您可能不得不花費(fèi)大量時(shí)間并旋轉(zhuǎn)另一套面具。額外的延誤和費(fèi)用。

最好的解決方案是在您投入芯片之前運(yùn)行該軟件并捕獲這些錯(cuò)誤。您將同時(shí)驗(yàn)證軟件和硬件。但是怎么做呢？

模擬軟件非常慢。我們說的是幾年。除了瑣碎的代碼之外，根本不是一個(gè)選項(xiàng)。

相比之下，仿真被證明是解決這個(gè)問題的關(guān)鍵工具。您可以在模擬器上實(shí)例化硬件，然后讓它在合理的時(shí)間范圍內(nèi)運(yùn)行實(shí)際代碼。也許不是真正的系統(tǒng)速度，但足夠快以使其成為可行的解決方案。

但是，假設(shè)您要找到問題，您必須能夠追蹤這些問題的原因，而調(diào)試部分在歷史上一直是問題所在。事實(shí)上，許多工程師一直不愿意使用仿真，因?yàn)樵谶^去，訪問內(nèi)部處理器狀態(tài)的唯一途徑是通過 JTAG。仿真器以幾 MHz 的時(shí)鐘速度運(yùn)行；仿真器上的 JTAG 只運(yùn)行其中的一小部分。

那么，例如，如果你想單步執(zhí)行指令？這意味著通過 JTAG 傳輸大約 400 萬個(gè)低級(jí)位。在仿真器上以 1 MHz 完成，這將需要 4 秒非常昂貴的實(shí)時(shí)仿真器時(shí)間。

而且，更糟糕的是，它是侵入性的：在這 4 秒內(nèi)，時(shí)鐘正在走動(dòng)。處理器狀態(tài)將保持不變，但處理器之外的世界將繼續(xù)。如果您只是在調(diào)試處理器代碼，這可以工作（即使速度很慢）。但是，如果您嘗試調(diào)試與非處理器硬件的交互，這將變得非常困難，因?yàn)樵谀瓿稍搯蝹€(gè)步驟時(shí)，處理器之外的所有內(nèi)容都已更改狀態(tài)。

由于仿真器上的 JTAG 既緩慢又具有侵入性，調(diào)試——尤其是與性能和同步相關(guān)的問題——變得非常令人沮喪。因此，考慮到這一點(diǎn)，仿真在過去并不是首選解決方案——阻力仍然存在。

今天的模擬器調(diào)試速度很快

但是時(shí)代和模擬器已經(jīng)改變。Mentor 有一種單獨(dú)的方法來捕獲不依賴于 JTAG 的處理器狀態(tài)，因此它可以快速發(fā)生 - 在 40-50 MHz 范圍內(nèi)。這可能比 FPGA 原型上的 JTAG 更快。數(shù)據(jù)被饋送到我們的 CoModel 主機(jī)，狀態(tài)歷史可以在其中存儲(chǔ)和重新創(chuàng)建，一個(gè)周期一個(gè)周期。

鑒于已存儲(chǔ)的跟蹤，您現(xiàn)在可以針對(duì)該跟蹤重放任何有問題的軟件，它將遵循系統(tǒng)狀態(tài)，以便您可以看到哪里出了問題?？梢詥尾綀?zhí)行；您可以探測寄存器和內(nèi)存；你可以看公交車。一切都沒有入侵：您的調(diào)試工作不會(huì)改變系統(tǒng)狀態(tài)。這一切都可以離線完成——您無需使用實(shí)時(shí)仿真器，這使其更具成本效益。

因此，關(guān)于軟件調(diào)試在模擬器上是否實(shí)用的歷史擔(dān)憂不再適用。您可以在流片前徹底使用您的計(jì)算平臺(tái)。軟件開發(fā)人員可以在芯片可用甚至 FPGA 原型可用之前很久就開始軟件開發(fā)?？捎糜谡{(diào)試的工具旨在為軟件工程師所熟悉——即使您最終發(fā)現(xiàn)了硬件錯(cuò)誤。

行使部分系統(tǒng)

我們要解決的下一個(gè)挑戰(zhàn)是影響單個(gè) IP 塊的開發(fā)人員，這些 IP 塊最終將成為整個(gè)系統(tǒng)的一部分。今天的問題是，在完全系統(tǒng)集成之前，你真的不能用真正的軟件運(yùn)行你的塊，因?yàn)橄到y(tǒng)需要你的部分和所有其他部分才能工作。因此，即使您提前完成了塊設(shè)計(jì)，也是“快點(diǎn)等待”。

在 Mentor，我們正在開發(fā)一個(gè)測試平臺(tái)增強(qiáng)功能，它將提供計(jì)算平臺(tái)的關(guān)鍵部分。鑒于 ARM 的流行，我們將從 ARM 架構(gòu)和與 ARM 相關(guān)的總線開始。處理器將覆蓋 Android 或 Linux。這將讓您在仿真器上實(shí)現(xiàn)您的模塊，并在完整系統(tǒng)設(shè)計(jì)可用之前將其“插入”抽象環(huán)境，讓您在驗(yàn)??證方面領(lǐng)先一步。

總之，您必須在生成掩碼之前運(yùn)行軟件，以證明您的計(jì)算硬件是正確的。仿真是做到這一點(diǎn)的唯一現(xiàn)實(shí)方法，而目前 Mentor 的 Veloce 仿真器上提供的工具使其成為非常實(shí)用、高效的練習(xí)。您可以用最少的實(shí)時(shí)仿真時(shí)間快速調(diào)試您的軟件和硬件。而且，在不久的將來，您將能夠在完全系統(tǒng)集成之前在 IP 塊上運(yùn)行和調(diào)試該軟件。

您可以更早地編寫軟件，并且可以更快地驗(yàn)證您的硬件。所有這些都使得您在真正的硅片中發(fā)現(xiàn)這些硬件錯(cuò)誤的可能性大大降低。

審核編輯：郭婷