万瑞罡, 朱焕杰

(芯来科技(武汉)有限公司 基础软件部, 武汉 430073)

1 引言

现代处理器和微控制器中一般拥有一组称为调试模块(debug module, DM)的硬件电路, 该电路集成在处理器内部, 为开发者提供编程、调试、(部分)异常处理、性能记录、追踪等功能. 这些功能既可以帮助软件工程师对代码进行除错、性能分析与调优; 又在事实上成为了在硬件量产工序时, 自动测试设备(auto test equipment)对系统进行各项测试、对芯片内的存储器进行编程的首选接口[1]. 因此, 调试模块已经成为现代片上系统的一个不可或缺的组成部分. RISC-V的模块化的特性推动了芯片行业自动化设计流程的变革,同时也对调试模块的设计思路带来了全新的挑战.

在RISC-V调试规范中, 完整可调试的硬件系统包含待测系统(device under-test)和调试系统, 调试系统由调试适配器(debug transport hardware)和调试翻译器(debug translator)等组件组成[2], 通过运行调试协议栈完成调试功能. 目前被广泛使用的基于OpenOCD的调试协议栈在主机端实现了几乎全部调试逻辑, 而将调试适配器实现为一个简单协议转换器. 这种紧耦合、无内聚的设计理念不仅难以维护, 不利于二次开发, 并且导致调试系统和待测系统间信息的传输速度受制于主机与调试适配器之间较高的I/O延迟, 进而导致数据传输效率的低下.

本文提出了一种全新的开源调试协议栈设计. 我们将调试翻译器中的调试前端、RISC-V调试前端、待测系统驱动、传输后端等组件分离, 在组件间使用标准API接口和轻量级的远程过程调用(remote procedure call, RPC)框架建立异步的数据通路. 这样的设计允许部分对I/O延迟有要求的功能由主机端卸载(offload)至调试适配器上, 提高数据传输效率. 组件的模块化设计和合理的层次结构使得整个系统代码简洁,维护方便, 易于二次开发.

本文组织结构如下: 第2节介绍相关的背景知识及目前常用的调试协议栈与调试系统存在的问题; 第3节介绍Morpheus调试协议栈的基本架构设计思路与解决现有问题的方法; 第4节介绍Morpheus调试协议栈部分操作的具体实现流程; 第5节对本文做出总结.

2 研究背景

2.1 调试协议概述

交互式调试(interactive debugging)过程中对大批量高效率传输数据的需求, 几乎全部是对目标系统总线的访问. 总线读写请求的对象包括目标系统的随机访问存储器(random access memory, RAM)、内存映射输入输出(memory mapped input/output, MMIO)寄存器与非易失性存储器(non-volatile memory, NVM). 由于调试或量产时的编程操作需要对存储器进行顺序、大块数据的读取或写入, 会导致大量对RAM和NVM的读写请求.

根据目前的RISC-V调试规范, 对待测系统的总线访问请求可以使用3种方式实现[2]:

(1) 抽象命令(abstract command)

(2) 程序缓存(program buffer)

(3) 系统总线访问(system bus access)

规范强制要求待测系统中的DM至少支持上述3种方式中的一种. 但无论选择实现其中哪一种, 数据传输均基于调试传输模块(debug transport module,DTM)所建立的数据通路.

图1展示了RISC-V调试系统的整体结构, 其中RISC-V platform是待测设备. RISC-V调试规范所定义的JTAG-DTM模块对DM的交互依靠于JTAG DR寄存器DMI (debug module interface)[3]接口. 在通常的实现中, DTM与DM之间使用不同的时钟域[4], 而DMI寄存器承担了在两个时钟域中时钟跨越的功能. 这种设计引入的跨时钟域握手机制将导致DTM阻塞, 即使在DM完全不阻塞的情况下. 任何对DM的访问请求,一般分为如下几步.

图1 RISC-V 调试系统整体结构框图

(1) 填充DMI寄存器的DM地址、数据与操作码;

(2) 等待DTM模块中DTMCS (DTM control and status)寄存器中要求的run-test-idle周期;

(3) 回读DMI寄存器, 检查状态位. 若DMI忙, 则重复第2步, 等待操作结束为止. 若DMI错误, 则进入错误处理流程.

同样, 由于DM中不存在类似ARM调试系统的总线访问缓存机制[5], 无论使用3种总线访问方式中的哪一种, 不仅需要等待DMI就绪, 也需要查询DM中的对应寄存器的状态位, 确保DM对请求的正确执行,并确保在总线通路空闲的时候, 再进行下一笔数据的传输.

2.2 现存社区维护的工具存在的问题

目前, 开源社区存在一定数量的调试协议栈实现,例如OpenOCD、RV-Link等. OpenOCD由RISC-V基金会维护, 且对RISC-V架构处理器的调试功能支持最全面, 是现今应用最广泛的开源调试协议栈.

OpenOCD将调试协议栈需要实现的所有功能, 包括对DMI的访问, 以及对DM各寄存器的操作, 均在主机侧完成[6]. 根据RISC-V调试规范, 每一笔对总线的访问, 长度最多与RISC-V处理器字长(XLEN)相等. 而每一笔对总线的操作, 均需要执行发出请求-查忙-完成的3步流程[2]. 其中查忙流程导致主机无法简单的向无处理能力的调试适配器, 如常与OpenOCD搭配的FTDI公司的多协议同步串行引擎(multi protocol synchronous serial engine, MPSSE)发送一块含有多笔请求的命令块实现, 而必须逐步的将命令分解为不同的、细碎的读写请求再发送给调试适配器, 并依赖每一步调试适配器返回的结果执行下一步请求[7]. 因此,调试器大批量对存储器的读写请求, 很大程度上被主机到调试适配器间的往返延迟所限制.

例如, 使用USB 2.0全速协议连接主机与调试适配器, 假设操作系统和主机互联系统不引入任何延迟.每个USB IN令牌包为59-bit, 每个握手包为44-bit[8].倘若USB主机接口(host controller interface)不间断的发送IN令牌包, 则最高轮询速率为:

实际上, 由于HCI和操作系统实际引入的损耗, 实测基于USB 2.0 全速主机-适配器通讯接口, 由Open-OCD配合基于FTDI公司的MPSSE的调试适配器, 每秒钟可被目标执行的命令速率约为14 kHz, 实际传输速率约为57 KB/s. 由于系统性能瓶颈存在于主机-调试适配器间较高的通讯往返延迟与较大的查询开销.即使在调试适配器对目标系统的DTM接口上使用较高的JTAG传输频率, 也无法对传输性能和传输效率做进一步的提升, 体现在逻辑分析仪捕获的DTM接口波形上即为较长的请求间隔, 如图2所示.

图2 基于OpenOCD调试器总线访问操作时序图

RV-Link项目与上述项目不同, 它将整个调试协议栈卸载到调试适配器上, 对主机通过GDB server协议通讯, 其大幅度降低了延迟, 提高了系统的传输效率,达到了近似下文所述商业工具J-Link的性能[9]. 但它存在以下的问题:

(1) 调试适配器本身资源有限, 难于存储不同的设备支持表、外设支持驱动等必要的信息, 使得支持设备的数量较少且二次开发门槛较高.

(2) 使用GDB server协议与主机通讯, 难以承载其他的调试需求, 如裸JTAG通讯等.

(3) 无完善的固件升级方案, 难于解决使用固件升级的方式对系统增加功能, 或是修复问题.

2.3 现存商业化工具存在的问题

SEGGER公司推出的J-Link V11调试器提供了对RISC-V架构的支持. 与OpenOCD所不同的是, J-Link将调试协议栈中绝大多数功能卸载到调试适配器上运行[10], 有效缓解了主机-调试适配器间通讯延迟高造成的开销, 从而大幅提升了调试器的编程速率.

但是, J-Link如传统的商业化工具一样, 存在以下几个较为明显的问题, 使其应用难于铺开:

(1) 大量功能需要在调试适配器上直接运行, 对调试适配器本身的处理性能有一定要求.

(2) J-Link并非开源系统, ASIC设计厂商和开发者难以改进J-Link内置的设备支持或增加其他芯片的支持.

(3) J-Link对第三方的开放接口十分有限, 且经常变化. 第三方开发者如果基于J-Link开发了专有的目标系统驱动程序, 如Flash存储器编程驱动等, 后续升级J-Link软件版本的成本非常高.

(4) 截至2022年3月, J-Link对多核RISC-V系统的支持仍然不佳, 对部分处理器IP核与专有DTM协议的兼容性较差.

(5) J-Link的组件耦合紧密, 单独剥离使用(如在产线上用作离线编程器)较为困难.

(6) J-Link购置成本高, 难以大规模推广.

3 Morpheus调试协议栈

针对以上现有工具的不足, 本文提出一种基于异步I/O、模块化、轻量级RPC的调试协议栈的设计方案. 该方案充分结合了各现有调试方案的优势, 并为未来的扩展留下了足够的空间.

3.1 设计理念

在缓存设置合理的情况下, 异步传输的吞吐率并不会因为延迟增加而产生明显下降. 同步传输由于需要在每一步状态改变之后等待对面设备响应, 实际吞吐率和全链路的延迟呈现负相关. 因此, 在设计新调试器方案时, 为了解决系统的传输瓶颈, 应当将同步传输局限于调试适配器与待测系统之间, 而在主机-调试适配器间使用异步传输, 以求最大化的降低延迟.

RV-Link式的将所有功能均卸载到调试适配器上,仅对主机暴露最终调试接口的设计范式, 也能够满足上述要求. 但调试适配器本身处理性能较主机弱、存储容量较主机小. 这些缺点无疑限制了它的扩展性与它能够达到的性能上限. 因此, 对调试协议栈整体架构的设计, 既不能将所有模块均放置于主机端, 这意味着较高的延迟导致的较低传输效率; 也不应当将所有模块均放置于调试适配器端, 这意味着较低的处理能力导致的受限的扩展性和有限的功能.

综合考虑, 意味着Morpheus必须对软件模块进行拆分, 摒弃OpenOCD等软件传统的紧耦合式大状态机结构, 并且让拆分出的小状态机能够在不同架构的硬件上表现一致, 同时, 尽量将必须同步通信的模块设计在同一硬件实体上运行, 并依靠RPC机制实现其他模块间的高效跨设备异步传输. 上述模块拆分能力同时让接口的标准化成为现实. 对Morpheus系统中任何功能的厂商定制都可以通过实现一组标准的软件接口来完成, 无需厂商自行维护整个调试器的一个单独分支.这一设计有效避免了现有开源调试器软件碎片化、各公司提供的版本和功能不一致的问题, 也为低成本的离线编程器提供了实现的基础.

3.2 系统结构

为了降低模块间耦合, 提高传输效率, 使得整个调试系统灵活、可持续扩展, 同时又不引入模块间调用的巨大开销, 依据第3.1节中的设计理念, 借鉴各个现存调试系统的优势和成功经验, 调试协议栈整体被分拆为如下组件, 如图3所示. 其中, 图中标示为PC的组件可运行于主机系统上, 标示为HW的组件可运行于调试适配器上.

图3 Morpheus调试协议栈结构框图

(1) SoC library: 提供目标系统的配置信息、驱动程序、地址映射表(memory-map)等必要信息.

(2) GDB server: 直接提供对GDB或其他GDB 协议客户端(如Eclipse)的调试服务功能, 并结合SoC library提供的目标系统信息, 产生合适的调试抽象命令RVDAL (RISC-V debug abstract language)提供给RISC-V frontend.

(3) RISC-V frontend: 根据待测系统的调试协议版本, 将RVDAL命令转换成相应的DM控制命令序列.

(4) Transport backend: 将对应的DM控制命令序列转换成DTM所需要的时序, 并连接DTM, 提供调试的物理通路. 如JTAG/cJTAG[11]/Nuclei-Wire/USB[8]等接口.

(5) Morpheus interface: 提供各个组件之间的互操作与异步I/O接口的定义和参考实现. 实现轻量化的RPC协议[12]与可选的调试适配器维护(如固件升级)等功能. 未来将支持可选的对外裸接口功能. 使得其他的调试工具, 如FPGA配置工具也能复用transport backend提供的数据通路, 达到仅需单调试器与调试线路, 可同时调试不同种类型的待测系统的目的, 如Xilinx Zynq异构集成系统.

此外, Morpheus使用C语言(符合C89标准)开发, 各基础组件均能跨平台工作, 耦合度低且不依赖特定操作系统. 因此, 其中部分组件可以独立运作来实现某些定制功能. 例如SoC library、RISC-V frontend、transport backend、Morpheus interface单独提取出来即可作为一个基本的离线编程器使用.

3.3 轻量级RPC的实现

Morpheus各组件之间使用Morpheus interface所提供的接口进行调用. 其中RPC协议基于简单的TLV(type-length-value)[13]帧格式, 运行在RPC管道上.RPC管道是一个保证按序交付的帧式管道的虚拟实体. 目前有一个基于USB虚拟串口(CDC-ACM协议)[14]与一个共享内存的RPC管道参考实现, 未来可扩展基于以太网或其他协议的传输管道, 达到灵活部署的目的. 其中, 基于共享内存的管道用于在单实例中函数间的调用场景. RPC协议的帧格式如表1所示.

表1 RPC协议帧格式

表1中, 调用方的载荷, 作为被调用方的输入参数使用. 若被调用方存在返回值, 则在应答帧中填入函数返回值的载荷, 使得载荷返回调用方. 载荷格式如表2.

表2 载荷格式

该轻量化的RPC协议实现了主机与调试适配器之间灵活的调用关系, 并具有多样化的载荷类型扩展能力, 使得使用统一的编程模型, 对主机程序的开发与调试适配器固件的开发成为可能.

3.4 验证方法与哑传输后端

为了在无实际硬件的情况下(如回归仿真环境)对调试协议栈的正确性进行快速测试, 并向EDA环境提供调试接口. Morpheus调试协议栈提供了两种特殊的传输后端, 分别为哑传输后端与Verilog过程接口(Verilog procedural interface, VPI)传输后端.

其中哑传输后端实现了一个简单的基于RISC-V调试规范0.13版本的DM后端, 能够简单的对RISC-V frontend进行覆盖测试. 同时, 为了能兼容存量MPSSE调试适配器, Morpheus提供了基于MPSSE的传输后端, 但此时所有Morpheus组件均运行于主机, 没有降低I/O延迟所带来的传输效率提升.

VPI传输后端提供了类似OpenOCD的JTAGVPI接口[15], 能与EDA仿真环境互通, 操作EDA环境中的RISC-V核心的DM或DTM, 提供在EDA仿真环境中对处理器调试模块的访问与控制能力.

3.5 系统初始化流程

由于Morpheus调试系统使用同一套代码库编译出可跨平台运行的各组件, 组件间使用RPC方式互操作并建立数据通路. 因此启动时必须保证主机端与适配器端的固件版本完全一致, 否则RPC无法正常工作.因此, 在进行初始化流程时必须加入版本确认过程, 确保适配器与主机端程序版本完全一致, 如图4所示.

图4 Morpheus 调试协议栈非哑传输模式下启动流程图

4 性能优化的具体实现

4.1 总线访问流程

在处理总线访问请求时, 由位于主机的GDB server负责接收或提供数据, 以RPC的方式对位于调试适配器固件中的RISC-V frontend组件进行调用, RISC-V frontend根据命令和总线访问方式, 进行可选的虚拟地址-物理地址转换[16], 产生对应的DM访问序列, 由之前已选择好的DTM传输接口所对应的后端发出. 由于RISC-V frontend组件与transport backend组件均可运行在调试适配器上, 且调试适配器使用微控制器实现, 故相比于主机直接控制的方式能提供较低的输入输出延迟, 由此达到提高传输效率, 降低数据传输时间的目的, 其流程如图5所示.

图5 总线访问流程图

4.2 Flash存储器编程流程

Flash存储器具有电可擦除, 无需后备电源保持数据、可重复编程、存储密度高、低功耗、低成本等特点, 是一类应用广泛的NVM存储器[17]. 但相比RAM而言, Flash存储器需要特殊的写入时序进行编程, 编程前必须擦除原有内容[18]; 不同Flash亦具有不同的编程模型, 互不兼容, 故无法用简单的总线访问流程解决对Flash存储器的编程问题. 因此我们引入一个中间层, 即Flash驱动机制[19], 解决对不同系统、不同型号Flash的编程问题.

由于主机侧对待测系统通信延迟高, Morpheus调试协议栈为提高效率和简化设计, 不支持类似OpenOCD将Flash驱动直接实现在主机侧的Flash驱动方案, 强制使用基于Flashloader的Flash驱动方案.

Flashloader是一组简单的、平台相关的、可被重定位的运行于待测系统上的程序[20], 存储于SoC library中. 若用户请求对某块地址空间的写入, GDB server将对比SoC library中的系统配置, 确定用户是否请求对Flash区间进行编程. 若用户访问的地址空间不属于Flash区间, 则系统转入总线访问流程.

若用户访问的地址空间属于Flash区间, 则GDB将对GDB server请求目标系统地址的映射表[21], 然后,GDB server将根据系统配置, 在待测系统上寻找一块合适的可被执行的内存块, 申请足够大小的内存, 该内存块被称为工作区. 申请到工作区后, 将工作区分为程序区与数据缓冲区, 将Flashloader写入程序区. 再使用Flashloader与GDB server已约定好的ABI, 运行Flashloader的初始化过程与擦除过程, 在确认初始化和擦除过程成功完成后, 进入编程循环: GDB server将对申请到的数据缓冲区写入部分数据, 随后运行Flashloader的写入流程, 不断重复编程循环, 直到所有数据均被正确编程到Flash中. 在Flash编程完毕后,GDB server将运行Flashloader的反初始化流程, 确保系统被复原. 然后销毁工作区, 完成整个编程流程, 流程如图6所示.

图6 Flash编程流程图

使用Flashloader的Flash编程方式, 相较于原本直接由主机或调试适配器上运行的固件对Flash控制器的寄存器直接操作的方式有效降低了往返延迟, 提高了编程速率, 并充分利用了待测系统的运行性能, 且降低了Morpheus本身的复杂度: Morpheus本身不需要内置任何Flash控制器的驱动程序, 仅需要按照标准接口增加Flashloader, 就能快速便捷的支持新的Flash控制器. 在用户软件开发能力不足时, 无需重新编译整个项目, 仅需简单增加SoC library配置即可支持, 可大大缩短开发周期; Morpheus维护团队则仅需维护一份平台无关的代码, 即可实现对不同结构、不同外设驱动的SoC的支持, 有效减轻了软件测试压力.

4.3 性能测试结果

在基于芯来科技Bumblebee内核的兆易创新GD32VF103芯片平台, JTAG TCK频率设定为4 MHz.OpenOCD作为调试协议栈, FTDI作为调试适配器的工况下, 对RAM的编程速率约为57 KB/s, 对Flash的编程速率约为10 KB/s.

在完全相同的GD32VF103硬件平台上, JTAGTCK频率设定仍为4 MHz. Morpheus作为调试协议栈, GD32VF103+Morpheus固件作为调试适配器的工况下, 对RAM的编程速率约为141 KB/s, 对Flash的编程速率约为16 KB/s.

由于使用了异步I/O机制, 并应用了RPC架构, 将大量耗时的I/O操作由主机卸载到调试适配器上,Morpheus相对OpenOCD的RAM编程、Flash编程性能提升分别为+140%、+60%, 体现在DTM接口波形上, 即为较短的请求间隔. 逻辑分析仪抓取的DTM接口波形如图7所示, 可见相比图2, 延迟由118 μs缩短为2.3 μs.

图7 Morpheus 调试协议栈总线访问时序图

5 总结与展望

RISC-V架构以它独特的开放、开源且模块化的优势得到了产业及学术界的青睐. 为了推进RISC-V生态的铺开, 开发工具与软件生态的建设十分重要. 本文在分析各现有方案不足的基础上, 提出并实现了一套开源、模块化并基于轻量化RPC实现互操作的全新的RISC-V调试协议栈——Morpheus. 该方案解决了目前现有调试方案性能低下、拥有成本高昂的问题,成功的降低了调试器的开发、维护、测试成本.

目前, Morpheus尚未实现同类商业调试系统提供的全部的功能. 在未来, Morpheus需要走的路还很长.但基于灵活的RPC和异步I/O机制, Morpheus的开发和维护, 相对传统紧耦合的调试器设计, 存在巨大的优势. 基于这一先进架构, Morpheus开发团队将逐步实现更多的功能, 如对Semihosting、Flash软断点的支持以及对虚拟内存/对称多处理机系统的支持等, 助力RISC-V架构在行业内进一步的普及, 为RISC-V开发工具与基础软件生态建设作出贡献.