探讨ARM调试技术

探讨ARM调试技术
 
 
   真正要搞懂一种机制，就需要至少搞清楚一个实际的场景，也就是一个宏观的过程。而倘若一个过程是由程序驱动的，那么最好的途径就是阅读它的源代码了。（毛德操、胡希明）
 
    自从深入到bootloader的开发中，遇到很多困难。而这些困难，大都是因为基础技术储备不足导致的。有时候也会后悔，本科的时候没有努力学习。其实静下心来想一下，根本原因并不在于此。我想，主要是因为自己并没有确定的方向，只是满足于课程安排内容的掌握。没有目标，或者目标较低，自然前进的动力也就有限，很多的时间也就浪费掉了。而现在算是有了喜欢的方向，有了比较高的目标，所以觉得时间太少，需要学习的东西太多了。另外一个原因，嵌入式系统本来就是一个多学科交叉的方向，要求的基础比较高。没有2到3年的技术储备期，是很难真正成长起来的，在这个过程中，如果有人指导，或者经过大的项目锻炼，成长得会更快一些。但是，现在没有人指导，只能自己摸索，心理上也不要老是依赖外界，最主要的还是要靠自己的努力。经过这么长时间的努力，虽然基础还是比较薄弱，但是已经进步了很多了。后面的路会越走越坎坷，因为技术上越来越深入，一个人做终究还是吃力。不过不要紧，尽自己的最大努力，做到最大限度的提升。
 
    毛德操的书教导了我几个学习方法：一是从历史的角度去探讨技术；二是首先从理论上建立宏观的概念；三是如果要深入那就要进行场景分析。在实践中，这三个都是非常有帮助的。因为嵌入式设计的面太广，不可能所有都深入去学，要有自己的定位。在这个定位的基础上，与之相关的理论基础要利用前两个方法去探讨，开阔自己的技术视野，对定位的核心则要同时采用三个方法，尽可能的去深入分析，以求精通。我的定位还是基于ARM+Linux的系统软件开发，偏重于底层。bootloader算是第一个重点，基于Linux的驱动开发是第二个重点。这两个都是嵌入式系统核心MCU相关，打牢了基础之后可以考虑向上层发展。
 
    迟早需要跨越这个阶段，没什么捷径，努力攀登吧。
 
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    在bootloader的深入学习中，深感调试的重要性。毛德操书中曾提过，在软件开发的“生命周期”中，程序调试（debug）以及调试手段的重要性是“怎么强调也不为过”的。诚然，尤其是在bootloader这样的底层软件开发中，调试能起到的作用就更为突出了。下面进行具体分析。
 
一、最简单的调试方法---状态灯
 
    一般地，在ARM开发板上总会留几个Led灯，在开发bootloader或者学习不带OS的程序编写时，就要充分利用这几个Led灯了。也就是说，把Led灯作为状态灯。如果有n个可以自由支配的Led灯，那么可以表达2^n个状态。比如，现在的EDUKIT-III实验箱上，有四个led，有GPF[7:4]来控制，低电平点亮，高电平熄灭，电路就不必画了，最简单的部分。在写led灯的驱动时，不妨采用查表法，把led的状态做成一个表，这样在表达的时候要方便的多。这部分实验在前面已经做过，ARM汇编和C版本都有，不再详述。下面主要谈几点方法：
 
    ·把流程按照功能分为几块，在每块的结束放一个状态灯。这样通过状态灯可以显示到了第几个功能块，一般要逐块测试，放状态灯后，加个死循环。
 
    ·利用条件判断语句来进行逻辑测试。比如有一个寄存器状态，假设为register1，正常应该是value1，那么就可以如下判断：
 
if (register1 == value1) {
        led_state1; /* 设置灯状态1 */
} else {
        led_state2; /* 设置灯状态2 */
}

while (1) {
        ;
}
 

 
    还有很多其他方法，不过核心还是靠自己的逻辑分析。
 
二、打印信息，辅助调试
 
    这种方法在PC的程序调试中也比较常用。比如熟悉的printf，在Linux内核的printk，不过这些都是打印到终端上。在嵌入式系统中则一般是没有终端的，特别是在bootloader阶段，就是“裸机”啊。不过可以借助于这种思想，利用串口来实现打印信息（当然，得有串口支持了。现在ARM一般都会有UART外设，而且很常用的手段就是把一个rs232串口作为debug口）。在bootloader阶段，可以利用状态灯法先简单的实现一个串口驱动程序，可以采用简单的实现方式，只实现查询发送就可以了。这样，就可以需要了解的信息，通过debug口来输出到相应的串口调试助手上。根据这些信息，来确定程序问题所在，从而尽快排除故障。
 
    这种方式就是串口作为底层来实现的printf，在ARM中应用比较广泛。在C语言中，可以通过一个调试开关开控制发行版/调试版，如下所示：

  #define DEBUG
//#undef DEBUG

#ifdef DEBUG
    uart_printf("debug info\n");
#endif
 

 
三 现代调试技术
 
    调试的基础是检测，而检测有“无损（non-intrusive）”和“无损（intrusive）”之分。理想的检测手段应该是不使被测对象的状态（包括时序）因此而造成任何改变，否则测到的数据就不准确了。可是，严格意义上的无损检测不可能实现，因此实际上是“测不准”的。人们所能做到的只是尽量减少对被测对象的状态改变，将误差减少到可以接受的程度。这还是比较容易理解的。不过原来看ARM资料的时候，调试手段一大堆，但是都没有深刻的印象，以致于以前还一直在怀疑，为什么下载的jflash-s3c2410，不能通过仿真器下载呢？现在想想，其实对于什么是调试器，什么是仿真器，调试的模型是什么都是非常模糊的，所以下决心首先从概念上理解调试模型。之后随着技术深入，可以逐步深入理解调试技术。
 
    现代调试技术大致可以归为指令级仿真调试和硬件仿真调试两种。
 
1 指令级仿真调试
 
    我想这个比较容易理解。指令集仿真调试属于纯软件仿真，比如ARM公司的ARMulator。因为有的时候嵌入式软件的开发需要在目标系统（硬件）并不存在的条件下进行，所以需要这种通过软件来模拟目标系统的CPU。现在有个开源项目skyeye，也是这样一个指令级仿真调试工具。这一系列的软件以数据结构来模拟目标机CPU中各个寄存器和其他资源，以及目标系统的有关资源（比如内存等），并且通过软件模拟，即逐条指令地解释执行目标机可执行映象中的程序。例如，“mov r1, #0”，就代表往寄存器r1的数据结构中写0，如此。模拟执行的速度当然慢一些，但是可以验证逻辑，在某些条件下是一种重要的手段。
 
2 硬件仿真调试
 
    这才是探讨的重头戏。在这里，就要从历史的角度去看一下了。
 
    从前的时候，元器件的面积和pcb的面积普遍较大，pcb板的层数较少，并且元器件只是安装于pcb的一面，也就是单面板。这样调试并不困难，加工工艺不复杂。pcb的加工制造者可以专门为具体的pcb配套制造用于测试的模板。模板上有许多触针，将pcb板和配套的测试模板叠在一起，模板上的触针正好与pcb“焊接面”许多监测点接触，从而可以监测pcb板上各点的逻辑电平及其变化。另一方面，pcb板的“元件面”也可以方便的将示波器或逻辑分析仪的探针连接到元器件的引线上。还有，当时的许多芯片，像cpu一类的大规模芯片，都不是直接焊接在pcb上，而是采用芯片插座。这样就可以作出特殊插头，冒充芯片插到其插座，而用外部的仪器来“仿真”这种芯片（通常是cpu）在整个目标系统中的作用和运行，就是“在线仿真ICE（In-Circuit Emulation）”。无论对于软件还是硬件，ICE在当时都是一种非常有效的开发/调试手段。我在本科时用的51单片机，但是就是采用ICE，记得有个仿真头，插到插座上。ICE还有一种方式，就是使用真实的cpu芯片，可以用特制的插头骑到芯片背上，以监测芯片的各条引线上的逻辑电平。
 
    可以随着pcb板和元器件的面积越来越小，pcb板层数也越来越多，特别是“表面贴焊”式芯片的出现打破了元件面和焊接面的划分，并且直接将芯片的引线焊接（而不是穿透），在pcb上，以前的那些手段都用不上了。
 
    在到后来，“集成电路级”向“集成系统级”发展，现在的芯片大多是SoC，原有的测试手段就更用不上了。这些芯片设计者都是重点考虑的问题。专业上成为DFT（design-for-test，可测试性设计），也就是在设计一款SoC，必须要考虑它的可测试性能。另外，为什么要在对资源要求比较苛刻的情况下，把调试电路集成到SoC中，看似矛盾，实际上，SoC集成调试电路已经成了普遍的共识：只有这样，才能减少调试成本，方便开发者进行调试，从而吸引开发者选择使用SoC。如果没有良好的调试手段，我想很少有开发者会选择使用的。好了，现在介绍调试检测技术。现在比较成熟的技术有如下四种：
 
    ·Ad-hoc test
    ·Scan-based test
    ·Build-in-self test
    ·Boundary-scan test
 
    因为不是专业研究这个方向，对这四个测试技术的区别也没大有必要深究。现在重点来看第四种技术，Bounary-scan test，即边界扫描技术。ARM普遍采用了边界扫描技术，协议标准为IEEE 1149.1，简介原来的文章也谈到过了，就不必多说了。关于JTAG，它的作用主要有如下两个方面：
 
    ·映象的下载。嵌入式系统软件的开发，在Host上完成目标映象之后，要在“裸机”上实现第一个程序的“自举”下载固化到flash中，就需要通过JTAG接口下载。当然，完成bootloader之后，也可以采用JTAG接口下载，另外也可以采用USB或者TFTP下载。后续的下载方式就多了。但是现在看来，“自举”下载方式还是比较单一的，ARM一般还得依赖于JTAG接口下载bootloader。
 
    ·软件（以及硬件）的调试。更重要的是，目标系统的调试也要在宿主机的控制/辅助下进行，而JTAG接口为宿主机与目标系统之间的通信、控制提供了重要的手段。【但是需要注意的是，这并不是绝对的。通信手段倒是还可以借助于网络实现，调试也可以通过gdb远程串口调试。这里的意思是，它是当前采用的调试的一种重要的手段。】
 
    现在可以分析基于JTAG技术的ARM Debug Architecture。下面给出一个结构图：
 
    ·Debug Host
    ·    Protocol converter
    ·        Debug Target
 
    也就是ARM Debug Architecture分为三层，这也可以认为是一个完整的调试系统。当然这是理论上的划分，在实际实现中也可以在形式上有所变通。下面先解释一下这三层结构。
 
    ·Debug Host
    Host computer running ARM or third party toolkit.
    这是调试系统的Host前端。也就是我们常见到的IDE的debugger，比如ARM提供的ADW（ARM Debugger for Windows，相应的unix版本为ADU，即ARM Debugger for Unix）。它所提供的功能是提供一个良好的图形交互界面，使用户可以方便的进行调试操作，也可以完成下载等。另外，它实际上完成调试命令的驱动部分。ARM制定了一个协议，就是ADP（Angel Debug Protocol），这是一个比较复杂的协议，分为三层，主要就是保证可靠稳定的与目标机进行通信。
 
    · Protocol converter
    for example， multi-ICE。
    这部分完成host端协议到jtag协议的转换。转换过程是双向的。这个在这里也不太容易说，可以通过后面仿真器来进行分析。
 
    ·debug target
    development system containing an ARM7TDMI processor
    也就是你的目标SoC。
 
    有了这个模型作为基础，就可以对现有的调试工具进行一个大体的分析了。在这里，仿真器又可以称为调试代理，它充当了protocol converter的角色。
 
    ·第一层次 简易JTAG小板
 
    市场上有不少提供简易JTAG小板，大多只是具备下载功能。其中，debug host可以是jflash-s3c2410这样的工具，它实际上就是用软件实现JTAG时序，完成“串并”和“并串”转换。即把目标JTAG向量中的每个字节都逐位地转换成JTAG接口各条引线上的串行的波形，或者反过来。而jtag小板，只是完成一个基本的电平转换电路，最差的只有几个电路，普通的就是一个74HC244做驱动。简单的说，就是：host（jflash-s3c2410等）--> 并口 --> jtag小板 --> SoC JTAG接口。这样完成了下载功能。如果在host端软件增强，可以完成一些调试功能。相对而言，这样技术是用纯软件去实现JTAG时序，效率比较低。市场上的wiggle、H-jtag、2410jtag等都是如此，只是在对应的引脚设置和host软件上有所不同。
 
    ·第二层次 cpld/fpga实现jtag状态机
 
    用软件模拟jtag时序效率低，那么可以通过cpld等可编程器件实现jtag时序，那么host的软件只要简单的写字节就可以了。这样，效率就高的多了。
 
    ·第三层次 mcu+cpld/fpga实现基于以太网/USB的仿真器
 
    其中，mcu用来实现tcp/ip协议，完成host调试协议的解析，cpld/fpga实现jtag状态机。这种组合方式的效率又远远高于第二层次。现在的realview就是采用这种方案，原有的ads系列则不提供更新了。
 
    我把使用的powerICE拆开看了一下，发现里面核心芯片就是cpld。由此可见，这个简化版的仿真器也只是第二层次的产品，硬件实现jtag时序，host IDE进行调试协议处理。原来的jflash-s3c2410不能够使用就很明显了，不同层次，也不会兼容。
 
    如果要深入研究，可以参考：
 
    ·IEEE 1149.1协议
    ·《嵌入式系统－ －采用公开源代码和StrongARM/XScale处理器》
    ·OpenJTAG论坛
    ·ARM7TDMI Datasheet
 
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几个名词：
 
spp： standard parallel protocol 标准并口协议
epp： enhanced parallel protocol 增强并口协议
dft: design for test  可测试性设计
tap: test access port 测试访问口
tdi: test data input  测试数据输入
tdo: test data output 测试数据输出
tms: test mode select 测试模式选择
tck: test clock  测试时钟
trst: test reset  测试复位
wdm： win32 driver model win32驱动模型
isp： in system programming 在系统编程
isc： in system config  在系统配置
adp： angel debug protocol 调试代理协议
rsp： remote serial protocol gdb的远程串行协议
rdi： remote debug interface ARM的远程调试接口

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