多核環(huán)境中的高效率調(diào)試方法

毫無(wú)疑問(wèn)，多核多線程是未來(lái)處理器的發(fā)展方向?；厥滋幚砥鞯陌l(fā)展歷程，并行技術(shù)從指令級(jí)的超標(biāo)量發(fā)展到線程級(jí)的超線程或者并發(fā)多線程，再到今天處理 器級(jí)的多內(nèi)核，總的趨勢(shì)都沒(méi)有改變。英特爾、Sun和IBM等大公司目前已經(jīng)投身到多核或者多線程技術(shù)的浪潮之中。當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用日趨復(fù)雜，對(duì)性能的要求 不斷提高，無(wú)論是需求推動(dòng)技術(shù)，還是技術(shù)激發(fā)了新的需求，并行技術(shù)都將是未來(lái)信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的必然選擇。

對(duì)于嵌入式裝置而言，多核技術(shù)可以提供更高的處理器性能、更有效的電源利用率，并且占用更少的物理空間，因而具有許多單核處理器無(wú)法具備的優(yōu)勢(shì)。與多核解決方案如影隨形的，就是多處理器技術(shù)，也就是在同一塊電路板或同一個(gè)集成系統(tǒng)中包含多個(gè)處理器。

要想充分發(fā)揮多核以及多處理器解決方案的潛能，僅僅依靠強(qiáng)有力的芯片是不夠的，還需要采用新的編程方法。伴隨著新的編程方法，同樣也需要新 的調(diào)試方法和工具，才能確保軟件和硬件開(kāi)發(fā)人員在完整的多核系統(tǒng)環(huán)境中展開(kāi)調(diào)試工作，同時(shí)對(duì)“編譯—編輯—調(diào)試 ”的流程進(jìn)行優(yōu)化。

在傳統(tǒng)上，JTAG調(diào)試技術(shù)主要是用于硬件Bring-Up，如今也常常被用于配合基于代理的調(diào)試（agent-based debugging）。然而，在多核和多處理的環(huán)境中，片上調(diào)試（on-chip debugging）正在扮演著越來(lái)越重要的角色，因?yàn)檫@種技術(shù)更便于隔離運(yùn)行在單個(gè)或者多個(gè)內(nèi)核中不同軟件之間復(fù)雜的交互活動(dòng)，從而幫助開(kāi)發(fā)人員對(duì)操作 系統(tǒng)或者中間件實(shí)施更加有效的調(diào)試。

認(rèn)識(shí)多核基本架構(gòu)

多核處理器在同一個(gè)芯片中植入了多個(gè)處理器引擎，這就可以提供更高的CPU性能、功能特性和分區(qū)能力。一般說(shuō)來(lái)，多核有兩種實(shí)現(xiàn)形式。

第一，SMP( Symmetric multiprocessing，對(duì)稱(chēng)多處理)。在這種情況下，開(kāi)發(fā)人員面對(duì)的是單一的抽象化硬件平臺(tái)，由SMP操作系統(tǒng)來(lái)決定具體由哪一個(gè)內(nèi)核來(lái)運(yùn)行哪 個(gè)任務(wù)，其中每個(gè)內(nèi)核都是相同的，而且在同一個(gè)操作系統(tǒng)的管理控制之下，共享同一個(gè)內(nèi)存。

第二，AMP (Asymmetric multiprocessing，非對(duì)稱(chēng)多處理)。在這種情況下，各個(gè)處理器內(nèi)核都運(yùn)行著各自獨(dú)立的操作系統(tǒng)。這種獨(dú)立性意味著，其中各個(gè)處理器內(nèi)核既可 以是同構(gòu)的，并且運(yùn)行同樣的操作系統(tǒng)，也可以是異構(gòu)的并運(yùn)行各自不同的操作系統(tǒng)。

多核環(huán)境顯著增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，因而在對(duì)操作系統(tǒng)和與多核相關(guān)的硬件進(jìn)行調(diào)試的時(shí)候，就必須采用一整套更有效的工具。另外，盡管大家都認(rèn)為 多核就是指在同一個(gè)芯片中放入多個(gè)內(nèi)核，但是在實(shí)際開(kāi)發(fā)工作中所遇到的多處理問(wèn)題，實(shí)際上不僅僅局限于在單一芯片中的多個(gè)內(nèi)核。事實(shí)上，不論這些處理器內(nèi) 核是在同一個(gè)芯片之中，或者分布在同一個(gè)電路板中的多個(gè)芯片之中，甚至同一個(gè)系統(tǒng)中的多個(gè)電路板之中，開(kāi)發(fā)人員都必須解決好多處理環(huán)境中的調(diào)試問(wèn)題。相對(duì) 于最近出現(xiàn)的單一芯片多核架構(gòu)，有多個(gè)處理器芯片和多個(gè)處理器電路板組成的復(fù)雜系統(tǒng)已經(jīng)存在很多年了。因此，多處理架構(gòu)的調(diào)試問(wèn)題其實(shí)早已存在，只是單一 芯片內(nèi)多核架構(gòu)的普及將多處理系統(tǒng)調(diào)試問(wèn)題更加尖銳地?cái)[在了開(kāi)發(fā)人員面前。

從這個(gè)意義上，多年前就開(kāi)始從事多處理環(huán)境軟件開(kāi)發(fā)的廠商就積累了更豐富的經(jīng)驗(yàn)，在應(yīng)對(duì)多核軟件開(kāi)發(fā)方面站在了更為有利的地位。例如 Wind River公司經(jīng)典的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks在多年前最初的設(shè)計(jì)思路就是基于多處理架構(gòu)的，因此不論從運(yùn)行環(huán)境還是開(kāi)發(fā)調(diào)試工具任何一方面看，對(duì)于多 核環(huán)境的適應(yīng)能力都比其他工具要強(qiáng)得多。

認(rèn)識(shí)多核調(diào)試難點(diǎn)

多核與多處理技術(shù)的融合為系統(tǒng)調(diào)試帶來(lái)了許多新的挑戰(zhàn)，因?yàn)橄到y(tǒng)復(fù)雜度不斷增加，要通過(guò)優(yōu)化硬件和軟件來(lái)充分發(fā)揮其中的性能潛力，難度就更大了。其中最主要的難點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。

* 有效地管理內(nèi)存和外設(shè)等共享資源；
* 在多內(nèi)核、多電路板和多操作系統(tǒng)的環(huán)境中對(duì)操作系統(tǒng)和應(yīng)用代碼進(jìn)行調(diào)試；
* 優(yōu)化JTAG接口并充分利用JTAG帶寬；
* 調(diào)試單一芯片中的同構(gòu)和異構(gòu)多核，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)試；
* 有效地利用JTAG與基于代理的調(diào)試方法，確保不同調(diào)試工具之間的順暢協(xié)同；
* 確保多核環(huán)境中應(yīng)用調(diào)試的同步機(jī)制。

對(duì)于多核JTAG調(diào)試來(lái)說(shuō)，有三種主要的技術(shù)選擇：第一，以單一JTAG接口支持所有內(nèi)核的調(diào)試器；第二，在單一JTAG調(diào)試接口中采用獨(dú) 立調(diào)試器的JTAG多路（Muxing）技術(shù)；第三，JTAG鏈接器或者可編址掃描端口（Addressable Scan Port）。

在多核調(diào)試中，上述三個(gè)技術(shù)途徑都是在處理同一個(gè)核心問(wèn)題——由SoC廠商所提供的JTAG接口所造成的局限性。 為了節(jié)省成本，許多SoC廠商都只為芯片提供單一的JTAG接口，而不理會(huì)其中包含了多少個(gè)內(nèi)核。對(duì)于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，最大的挑戰(zhàn)就是經(jīng)濟(jì)有效地使用這些接口 來(lái)同步多核以及多處理的調(diào)試工作。其中，單一調(diào)試器方式采用IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)daisy-chain方法。

認(rèn)識(shí)多核調(diào)試方法

對(duì)于多核架構(gòu)來(lái)說(shuō)，單一調(diào)試器的主流選項(xiàng)仍然是JTAG多路技術(shù)。這種技術(shù)對(duì)IEEE JTAG技術(shù)規(guī)范進(jìn)行了拓展，以便為通過(guò)共享JTAG接口連接起來(lái)的每個(gè)內(nèi)核提供獨(dú)立的調(diào)試器。在多路技術(shù)的支持下，通過(guò)對(duì)希望調(diào)試的內(nèi)核進(jìn)行注冊(cè)登記 （Registering），開(kāi)發(fā)人員可經(jīng)由單一JTAG接口訪問(wèn)多個(gè)離散狀態(tài)的內(nèi)核。這種解決方案的最大優(yōu)勢(shì)在于它的連接和調(diào)試性能。因?yàn)槎嗦芳夹g(shù)單獨(dú) 連接到每個(gè)內(nèi)核，因而避免了daisy-chaining方法中所遇到的比特位移(bit shifting)方面的麻煩，因而在單芯片中的多核系統(tǒng)中具有更高的性能。這種方式的另一個(gè)好處是不需要對(duì)開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行修改，從而可以順暢地應(yīng)用在多個(gè) 開(kāi)發(fā)項(xiàng)目之中。

多路技術(shù)（Muxing）方法所存在的主要問(wèn)題是在多內(nèi)核調(diào)試過(guò)程中無(wú)法同時(shí)啟動(dòng)和停止內(nèi)核來(lái)同步應(yīng)用。如果要停止全部?jī)?nèi)核，開(kāi)發(fā)人員只能 順序地逐個(gè)進(jìn)行，這就導(dǎo)致了調(diào)用延遲問(wèn)題。在調(diào)試過(guò)程中的延遲問(wèn)題,會(huì)導(dǎo)致很難在內(nèi)核之間的操作系統(tǒng)、中間件和應(yīng)用中找到發(fā)生問(wèn)題的確切位置，特別是當(dāng)運(yùn) 行在不同內(nèi)核之中的應(yīng)用存在相互依賴(lài)性的時(shí)候，這個(gè)問(wèn)題就更為突出。例如，某個(gè)產(chǎn)品包含DSP功能和ARM 9內(nèi)核，其中DSP用來(lái)處理視頻流，ARM 9內(nèi)核提供文件系統(tǒng)，那么內(nèi)核的啟動(dòng)與停止同步將會(huì)十分關(guān)鍵。如果調(diào)試過(guò)程中在ARM內(nèi)核的啟動(dòng)和DSP的停止之間出現(xiàn)過(guò)多的延遲，DSP視頻流數(shù)據(jù)很快 就會(huì)溢滿(mǎn)ARM文件緩沖區(qū)，而視頻流也將會(huì)中止。如果出現(xiàn)這種情況，就很難判斷系統(tǒng)中的問(wèn)題出在哪里。而且，多路進(jìn)程也給開(kāi)發(fā)人員在故障排除時(shí)帶來(lái)了許多 新的問(wèn)題，將會(huì)大幅度增加調(diào)試時(shí)間。

另外，如果在有多個(gè)廠商產(chǎn)品組成的異構(gòu)多核環(huán)境中進(jìn)行調(diào)試工作，例如處理器來(lái)自一個(gè)廠商，而DSP器件來(lái)自另一個(gè)廠商，還會(huì)有更復(fù)雜的問(wèn)題 需要處理。因?yàn)檫@種情況下的多路（Muxing）機(jī)制更為復(fù)雜，如果各部分之間的兼容性沒(méi)有得到保證，也就很難保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。此時(shí)，僅僅依靠多路技術(shù) 是無(wú)法解決問(wèn)題的，開(kāi)發(fā)人員就需要采用可編址掃描端口（addressable scan port），這也可能是最后僅有的方法了。這種架構(gòu)需要用到非常特殊的組件，這些組件可以讓開(kāi)發(fā)人員把JTAG掃描鏈分割成多個(gè)功能組，并通過(guò)唯一的地址 來(lái)訪問(wèn)每個(gè)功能組。這是一種多支路（multi-drop）架構(gòu)，經(jīng)常被用于底板（Backplane）環(huán)境之中。在這里，有一個(gè)分別可編址的掃描鏈在底 板內(nèi)實(shí)現(xiàn)路由（Routed）,從而使機(jī)箱中的每個(gè)底板都擁有自己專(zhuān)屬的掃描鏈。這種架構(gòu)的運(yùn)行速度受限于可編址掃描端口的速度，最典型的情況是 25MHz。

擁有先進(jìn)多核調(diào)試工具

Wind River擁有的JTAG加速器和服務(wù)器技術(shù)可以顯著降低JTAG序列包之間的空閑時(shí)間，完全充分地利用了可用的JTAG帶寬。與JTAG有關(guān)的另一個(gè)問(wèn) 題涉及到調(diào)試能力，例如用停止請(qǐng)求信號(hào)來(lái)立即停止某個(gè)內(nèi)核，或者用停止指示信號(hào)來(lái)停止某個(gè)內(nèi)核并同步其他的內(nèi)核的停止。與其他所有的局限性一樣，這類(lèi)問(wèn)題 也依賴(lài)于廠商的實(shí)現(xiàn)方法。

Wind River on-chip debugging(片上調(diào)試)解決方案可以同時(shí)啟動(dòng)和停止多個(gè)內(nèi)核。實(shí)際上，Wind River提供的JTAG解決方案，也就是Workbench On-Chip Debugging，是以集中化的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)多核和多處理的調(diào)試功能。這個(gè)解決方案可以在單一掃描鏈（Scan Chain）中同時(shí)調(diào)試多達(dá)8個(gè)內(nèi)核。而且，不管這些內(nèi)核處于同一個(gè)芯片之中、分布在線路板中的多個(gè)芯片或者分布在復(fù)雜系統(tǒng)中的多個(gè)線路板之中， Workbench On-Chip Debugging都能夠應(yīng)付自如。

在Wind River的多核解決方案中，開(kāi)發(fā)人員可以同時(shí)停止或者啟動(dòng)任何內(nèi)核,在一個(gè)或者多個(gè)內(nèi)核上設(shè)置斷點(diǎn)，其中還可以包括條件斷點(diǎn)。此外，Workbench Eclipse框架和基于代理的調(diào)試方式使開(kāi)發(fā)人員在單一控制臺(tái)上即可管理多內(nèi)核/多處理應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)人員可以在JTAG調(diào)試和基于代理調(diào)試二者之間 靈活地選擇，例如在硬件Bring-Up、內(nèi)核、中間件和其他應(yīng)用功能調(diào)試的時(shí)候采用JTAG連接，然后在自己認(rèn)為適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)平滑地轉(zhuǎn)移到基于代理的調(diào) 試，而這些調(diào)試工作都是圍繞著同一個(gè)應(yīng)用的。這些能力都會(huì)增加不同開(kāi)發(fā)人員之間的協(xié)同能力，同時(shí)改善異常問(wèn)題的判定效率。

結(jié)論

在多核開(kāi)發(fā)中，JTAG調(diào)試可以承擔(dān)非常有價(jià)值的角色，有效地改善“編輯-編譯-調(diào)試”周期時(shí)間。然而，實(shí)現(xiàn)這一 點(diǎn)的前提是把JTAG調(diào)試與基于標(biāo)準(zhǔn)的集成化開(kāi)發(fā)環(huán)境（例如Eclipse）緊密地集成起來(lái)。最理想的技術(shù)方案是，在Daisy Chain中采用遵從IEEE 1149.1 JTAG標(biāo)準(zhǔn)的單一的JTAG調(diào)試器，而JTAG的主要作用是改善系統(tǒng)的吞吐能力和性能。