2022, Vol. 48
开放科学（资源服务）标志码（OSID）：
在高端服务器或低功耗嵌入式产品中，调试机制虽然不受关注但不可或缺。已经通过验证测试的成熟芯片产品一般提供非入侵式、入侵式这两种或其中一种调试机制[1]。入侵式调试机制主要通过软件或硬件中断陷入调试模式[2]，主要以断点和单步调试为代表。用户在断点和步进调试过程中，可以控制应用程序代码运行到代码中的指定点，然后Halt标识的处理器，此时，用户可以选择检查或更改内存以及寄存器内容，步进或重新启动应用程序。非侵入式调试机制以跟踪（Trace）模式为主，主要实现方式是将CPU状态及指令流信息压缩导入存储器，协同软件解压缩开展现场或性能分析，能够帮助用户查证CPU在全速运转下才出现的或偶然发生而不可预测的错误[3]。
本文针对某自主国产SoC芯片（下文简称为GCXP），设计一个保证用户可调试观测和安全性的用户调试解决方案。调试行为通过中断及其处理程序来实现，保证在调试中断监控下开展调试行为。兼容开源上位机OpenOCD调试软件生态，从而支持Eclipse等IDE。不同于ARM、Sivife等需要进行CPU设计，本文方案向CPU IP核已经设计完备的SoC中增加硬件辅助调试功能，不需要修改CPU设计。
1 相关工作目前，大多数处理器都独立设计了一套调试体系结构，以便于用户进行片上调试。例如，x86体系结构提供了6个调试寄存器来支持硬件断点和调试异常[1]，同时Intel Processor Trace[2]也是一个备受关注的硬件辅助调试特性[3-4]。Arm架构的处理器具有调试和非调试两种状态，并设计了一组调试寄存器来支持自主机调试和外部调试[5-6]。同时，ARM[7-9]还引入了硬件组件，如Embedded Trace Macrocell[10]和Embedded Cross Trigger[11]，以完成各种硬件辅助调试目的。相应地，硬件供应商通过片上调试端口将上述调试特性暴露给外部调试器，比较常用的调试端口是IEEE 1149.1[12]定义的联合测试工作组（Joint Test Action Group，JTAG）端口，主要用来支持调试目标和外部调试工具之间的通信。使用JTAG端口和外部调试工具（如Intel System Debugger[13]、ARM DS-5 [14]、OpenOCD[15]），开发人员能够有效、方便地访问目标的内存和寄存器。
ARM的调试基础架构称为CoreSight，主要实现调试和跟踪这2个功能：
1）调试功能，运行处理器的控制，允许启动和停止程序单步调试源码和汇编代码，在处理器运行时设置断点，即时读取/写入存储器内容和外设寄存器，读写内部和外部FLASH存储器。
2）跟踪功能，提供程序计数器采样、数据跟踪、事件跟踪等，实现CPU历史序列调试、软件性能分析和代码覆盖率分析。
开源SoC硬件辅助调试解决方案主要有RISCV Debug Spec 0.11/0.13[16]、Open SoC Debug（OSD）[17]，两者都描述了基于Run-Stop、Trigger、System Bus Access调试的具体规范细节，后者着重描述Trace模式并给出了基于Rocket-Core的参考设计实现，需要在Core内实现Core Debug Unit逻辑，前者有独立的Trace-Spec[18]，依赖CPU预留Core Trace IO。
在GCXP系列中，用户通过片外维护控制模块访问I/O和存储空间，CPU片内状态通过扫描链硬件逻辑来观测调试[19-20]。同时，特有的HMCODE机制也可以在核心驱动调试以承担调试功能，但一般不对用户开放。与商业SoC调试功能相比，现阶段GCXP系列产品的调试机制缺少安全性[21]以及交互、断点、灵活读写功能，同时缺乏上位机调试软件IDE工具生态[22]，尤其在安全性和嵌入式用户调试工具生态上，存在较大缺陷，如基于扫描链重用的调试机制，因扫描链在芯片上留下一个独立的逻辑接口，不受任何权限检查，可以在任何时刻获取芯片内部的状态信息，相当于为芯片增加了一个“后门”。同时，文献[21]中也提到了一种JTAG扫描链攻击的逆向技术，黑客可以获取扫描链上芯片架构设计相关细节信息。在嵌入式用户调试工具方面，ARM、Sifive都配备对应的上位机IDE或兼容主流开源IDE，如Eclipse、Keil等，与硬件调试辅助机制相结合，可以提供便捷丰富的寄存器以及内存观测读写、断点、程序下载、性能分析功能。
GCXP硬件辅助调试配套软件部署要求较高（可参见文献[20]），且只提供观测功能，目前没有与商业SoC产品类似的用户环境。此外，交互式调试设计需要CPU设计配合，是流水线设计的重要一环，且目前没有向已有成熟CPU设计的SoC环境中增加交互调试的方法。
2 GCXP-1A调试模块设计GCXP-1A是一款面向低功耗嵌入式领域、采用精简GCXP指令集的国产通用处理器核心，实现了全独立自主指令集嵌入式子集，是GCXP架构下面向嵌入式领域的处理器核心，该核心采用IP化设计，指令、数据存储器工作模式、TLB条目数等关键微结构参数化设计，并实现标准AXI接口，便于通用SoC集成。
GCXP-1A设计主要参考RISCV Debug Spec 0.13.2规范及Sifive U500K开源SoC源码，兼容RISCV OpenOCD软件调试工具及OpenOCD的IDE生态，结合GCXP软硬件架构开展调试模块设计，结合GCXP特权架构开展用户调试工具的硬件设计，同时在OpenOCD软件端开辟GCXP分支，兼容RISCV Debug Spec 0.13.2流程，实现完整的Run-Stop侵入式调试机制以及OpenOCD接口下的基本调式、程序下载功能，相较于无感知的扫描链重用调试信息获取，该方法处于调试中断语义监控环境中，安全性更高，并且对CPU核内无设计要求，借助OpenOCD，可直接与GDB、开源IDE产品对接，可以向前扩展CPU产品的通用调试生态，同时开展模拟验证及FPGA验证，从而证明功能的正确性。
RISCV Debug Spec 0.13.2 Spec中对CPU设计提出了诸多要求，例如，需要2条调试专用指令EBREAK、DRET，Trigger硬件断点寄存器，以及调试模式与配套的DPC、DCSR寄存器等，同时，在流水线控制上也需要对应的设计。在GCXP特权架构下，为了不对原有CPU设计、操作系统核软件接口及编译工具链设计进行改动，取消调试模式（调试模式在RISCV开源CPU中实现，特权层级还是处于M模式，严格上来说并不算是一种独立的特权层级），同时，EBREAK与DRET分别设计成GCXP指令集中的SYSCALL，并分别约定特定的调用号，将DPC、DCSR放入Debug Module（IO地址空间）中。同时，因为GCXP HM特权架构不响应中断，所以将RISCV Trigger调试中断、单步调试、硬件调试中断都进行重新设计，并设置对应的HMCODE处理软件程序，以实现Spec中调试中断处理的硬件逻辑部分。
2.1 硬件逻辑设计由于GCXP-1A面向低功耗MCU场景，因此调试机制设计主要考虑用户调试应用程序的Run-Stop调试以及外设I/O、Memory内容读写功能这些需求，从而实现中断调试模式、总线访问调试。GCXP-1A的具体硬件逻辑架构如图 1所示。
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| 图 1 GCXP-1A用户调试模块的逻辑架构 Fig. 1 Logical architecture of GCXP-1A user debugging module | |
RISCV Debug Spec 0.13.2中主要规范了一套抽象调试命令，便于不同架构具体实现与调试工具及生态解耦，其Run-Stop调试机制基于DM模块接管PC来实现，分为Trigger中断（由硬件断点触发）、上位机调试中断、软件断点陷入调试中断这3类，最终通过Debug ROM程序与调试模块（Debug Module，DM）状态机协同路由，决定CPU PC取指地址，从而执行从抽象命令解析、翻译、预装填到抽象命令相关字段所指定的不同存储空间的调试命令。
GCXP-1A用户调试模块的逻辑架构主要实现用户程序异常中断调试、提供断点环境通用寄存器及CSR寄存器的访问、提供SoC总线上外设I/O寄存器或存储器的访问。具体如下：
1）DM_TRANSPORT模块负责JTAG TAP状态机的实现，以及上位机指令操作向DM_ROUTER模块内部总线的转写，主要分为DM_TRASNPORT寄存器访问和DM内部总线访问，前者主要是标识调试协议实现版本，后者用于交互具体的调试任务。
当TAP状态机进入Update-DR状态，IR寄存器的值为DMI_ACCESS（5’h11），且当前调试系统总线（Debug Message Interface，DMI）接口没有错误信息时，开始执行dmi.op指定的操作。
如图 2所示，当dmi.op=0x1，dmi状态机进入Read状态。在Read状态中，先将dmi_req_valid信号拉高，再等待dmi_req_ready信号为高时进入WaitReadValid状态。在WaitReadValid状态中等待dmi_resp_valid信号为高，当该信号为高时，dmi读取DM模块回应的数据（dmi_resp.data），并返回Idle状态。当dmi.op=0x2，dmi状态机进入Write状态。在Write状态中，先将dmi_req_valid信号拉高，再等待dmi_req_valid信号为高时返回Idle状态。
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| 图 2 JTAG转DMI内部总线状态机 Fig. 2 JTAG to DMI internal bus state machine | |
2）DM_ROUTER模块负责上位机通过JTAG DMI_ ACCESS访问填充的抽象调试寄存器内容，图 3为其功能逻辑图，将调试任务依据抽象命令对应标志位，通过内部总线发送到具体部件执行。
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| 图 3 DM_ROUTER功能流程 Fig. 3 Procedure of DM_ROUTER function | |
3）DM_EXE模块接收并处理处理器内部信息的调试指令，图 4为其功能逻辑图，根据用户Halt指令、软件配置的硬件断点是否等于CPU Trace信号中PC值、单步调试指令标志情况，向外发出调试中断信号，同时完成调试目的寄存器访问路由，分别组织指令架构下通用寄存器访问、CSR寄存器访问的指令编码，并依据调试任务中标识的执行空间进行指令填充（结果目的地址为内部DATA寄存器），等待PC正确跳入取指执行，执行完毕标记完成位，上位机将DATA寄存器中的结果扫回。DM_EXE模块中的关键点是CPU、上位机、DM模块的三方协同状态机，从而保证作业正常流转。
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| 图 4 DM_EXE解析ABSTRACT_CMD以及填充指令槽位逻辑 Fig. 4 DM_EXE parsing ABSTRACT_CMD and filling instruction slot logic | |
三方协同状态机设计如图 5所示，其中，左图主要描述DM_EXE硬件状态机，右图主要描述Debug Rom软件中断处理程序。中断可以由软件陷入或上位机调制命令通过DM发出，任何一种调试中断发起，即触发调试中断，PC跳入调试中断入口程序（Debug Rom），首先挪用一个通用寄存器，再将标定调试的Core_Id写入DM Halted寄存器，硬件状态机确认选中的CPU已经被停住，此时，若上位机发送了调试命令，则DM将CMD_BUSY拉高，进入下一状态，否则停留在IDLE，在Debug Rom程序go与resume都等于0的情况下会在Debug Rom程序空间死循环，等待调试指令到来。
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| 图 5 DM_EXE软硬协同状态机 Fig. 5 DM_EXE software and hardware collaborative state machine | |
当上位机调试指令到来，CMD_BUSY信号随即拉高，DM_EXE状态机进入GO状态，此时等待Debug Rom程序填写DM寄存器going为1，此处设计是因为调试指令一般由1~2条组成，并且为硬件寄存器装填，1个CLK周期就能完成，在GCXP-1A 5级流水线设计下，一条指令执行周期即可保证指令硬件装填完毕，Debug Rom执行DM go寄存器判断这条指令周期就足以满足，因此，这里不再做DM指令槽位填充完毕握手机制。状态机检测到Going地址有写操作后，随即PC获取一条跳转指令，跳入DM_EXE取指入口（where to go），根据上位机指令标记获取跳入不同DM内部指令槽入口的跳转指令，从而执行调试任务，指令槽位最后一条指令必然为跳回Debug Rom首地址，通过再次写Halted地址进入Idle状态。复位三方握手流程类似，不再详细描述。
4）DM_SBA模块实现一个总线的Master端，从而使得DM模块能够访问SoC总线下编址地址信息读写。DM_SBA的总体功能逻辑结构如图 6所示。
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| 图 6 DM_SBA模块功能逻辑 Fig. 6 DM_SBA module function logic | |
DM_SBA模块的读写过程用一个状态机实现，有idle、write、read、waite_write、waite_read这5种状态。状态机的转换示意图如图 7所示，Idle为master接口处于空闲状态，write为master接口往内存写数据，read为master接口向内存读取数据，waite_write和waite_read分别为master接口的读、写等待状态。
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| 图 7 DM_SBA工作状态机 Fig. 7 DM_SBA working state machine | |
GCXP软件特权架构有3种特权级：1）硬件模式（Hadware Mode，HM），是最高权限模式，为特权程序运行环境；2）内核模式（Kernel Mode，KM），是次低级模式，为操作系统运行环境；3）用户模式（User Mode，UM），是最低级模式，为用户程序运行环境。
特权程序运行程序（SW-HMCODE）为代替硬件逻辑的软件代码，定义了平台SYS_CALL，注册了操作系统核心对应的特权异常、中断处理入口地址，在扩展处理器功能实验、规避硬件错误以及OS调试上都有重要的地位，是一种GCXP独有的软硬件协同机制，默认为绝对正确，保证程序不会挂死在HM模式下，且对用户透明。
RISCV Debug Spec中所涉及的CPU硬件中断处理、调试模式及其配套的DPC、DCSR，在GCXP GCXP-1A软硬件环境下都进行了重新设计，与GCXP-1A HMCODE相结合，调试中断改为普通中断，通过HMCODE中断处理流程，实现现场保护和复原，并在HMCODE中设置专用SYS_CALL入口，结合中断控制器，与普通中断跳入操作系统核心注册处理程序不同，调试中断处理程序（DM_ROM）在HMCODE内部进行调试中断识别并完成跳转，从而实现软硬件调试陷入。
在上位机OpenOCD中，由于兼容RISCV Debug Spec 0.13.2，因此按照RISCV Debug Spec 0.13.2的软件流程，添加th1a-013 target分支，注册寄存器读写、内存地址读写以及programbuf、abstract commad函数读写等，从而完善用户调试流程。
3 验证分析 3.1 GCXP-1A调试模块模拟验证如图 8所示，GCXP-1A调试模块模拟验证环境由3个部分组成，分别为：1）SimJTAG.sv包含Jtag_tick DPI-C接口，负责路由来自DPI-C的JTAG引脚信号，并与GCXP-1A SOC DM JTAG桥接；2）DPI-C接口具体实现本机socket注册、监听和链接接受服务，使用bitbang协议将socket调试请求转换成JTAG信号；3）上位机调试软件通过DPI-C暴露的本地端口链接，开展调试流程。
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| 图 8 调试模块模拟验证环境逻辑结构 Fig. 8 Debugging module simulation verification environment logical structure | |
如图 9所示，在模拟验证环境下，激励时钟起震、复位撤销前使用HMCODE+TEST_CODE HEX进行约定地址空间布数。软件流程具体如下：1）CPU从HMCODE开始取指运行，跳转到TEST_CODE地址；2）TEST_CODE配置CSR寄存器打开调试中断使能；3）跳出HM模式，运行死循环；4）HMCODE根据CPU捕获的中断（CPU保证流水线硬件冲刷），将PC跳转到Debug ROM HALT地址执行；5）上位机执行调试作业；6）Debug退出，执行Debug ROM resume程序段，恢复现场，跳转PC到保留PC。
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| 图 9 模拟验证环境软件逻辑结构 Fig. 9 Simulation verification environment software logical structure | |
基于Synopsys VCS 2018.09-SP2开展GCXP-1A SoC模拟验证，针对dm开展OpenOCD test_compliance测试集验证，针对所设计的功能，波形日志如下：
1）调试中断流程。
如图 10所示，当上位机中断请求发起，dm模块io_debug_req_o信号拉高，由HMCODE中断现场保护，并跳转PC到0x100调试处理程序首地址，执行118地址的写hart id（0）到dm 0x400（Halted_aligned）地址，dm状态机检测到该写操作后随即拉高halted_q信号，标识CPU已经成功响应调试中断。
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| 图 10 模拟环境调试中断响应波形图 Fig. 10 Simulated environment debugging interrupt response waveform | |
2）CPU内部寄存器读写。
如图 11所示，state_q为上文描述的三方交互状态机状态寄存器，分别标识idle（0）、go（1）、resume（2）、excuting（3），调试指令下达后，由idle- > go状态，并等待debug rom程序写going地址，期间硬件完成abstract_cmd任务指令转译和填充，在going拉高后跳入excuting阶段，执行完毕后（指令槽位最后一条固定位回到debug rom首地址），等待debug rom再次写halted_align地址，从而回到Idle状态。
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| 图 11 模拟环境abstract cmd CPU内部寄存器读写 Fig. 11 Simulated environment abstract cmd CPU internal register read and write | |
3）SBA总线地址访问。
如图 12所示，上位机通过OpenOCD对总线上的地址进行读写访问，dm_sba模块从dm_csr路由信号操作axi4 master读写时序，从而完成读写任务。
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| 图 12 模拟环境SBA时序 Fig. 12 Simulation environment SBA time limit | |
FPGA验证环境为KCU105，将设计中的JTAG引脚约束到FMC XM105扩展卡引脚，链接JLink v9，DM模块挂在系统总线下。在Vivado 2019.2环境下开展SoC综合仿真实验，运行频率为100 MHz。
在仿真过程中，需要HMCODE逻辑配合，在不依赖linux kernel的情况下识别响应调试中断。实验环境如图 13所示。
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| 图 13 GCXP SoC DM+JLINKV9+OpenOCD验证平台 Fig. 13 GCXP SoC DM+JLINKV9+OpenOCD verification platform | |
在图 14中，使用OpenOCD客户端链接JLNK开展DM功能测试实验，图 14（a）测试内容为通用寄存器或CSR寄存器读写功能，图中示例使用OpenOCD寄存器读写命令读写寄存器，图 14（b）测试内容为SoC总线地址空间存储器读写功能，使用OpenOCD SBA模式测试字读写。
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| 图 14 OpenOCD命令行操作示例 Fig. 14 OpenOCD command line operation example | |
覆盖率是判断DUT验证是否完备的重要指标，在数字集成电路设计中，覆盖率分为代码覆盖率和功能覆盖率，代码覆盖率表征每行代码的执行情况，功能覆盖率表征具备一定功能的代码组合的执行情况。从图 15可以看出，本文DM模块的代码及功能覆盖率都能达到100%，能够满足流片要求。
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| 图 15 代码及功能覆盖率 Fig. 15 Code and function coverage rate | |
本文在RISCV调试协议规范的基础上，结合GC，使用GCXP的HMCODE机制实现一套轻量级且对CPU无设计需求的调试方案，该方案可以兼容GCXP全系列CPU IP产品以及RISCV的调试软件和转接器，从而丰富自主芯片的调试生态。下一步将协同CPU设计Trace模式，实现CPU非入侵式调试机制，完成可控可过滤的指令流、数据流跟踪，此外，配套上位机程序开发，实现性能可分析观测、功能完备且安全的用户调试机制，也是今后的研究方向。
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