Отладка встраиваемых систем: ICE и JTAG-отладчики.

Введение

Отладка встроенных систем

Аппаратная эмуляция в схеме (ICE) – это использование аппаратного устройства или эмулятора схемы для отладки программного обеспечения встроенной системы. Она работает за счет использования процессора с дополнительной возможностью поддержки операций отладки, а также выполнения основной функции системы. Особенно для старых систем с ограниченными процессорами, это обычно подразумевало временную замену процессора аппаратным эмулятором – более мощной, хотя и более дорогой версией. Исторически это реализовывалось в виде процессора с выводами контактов, у которого множество внутренних сигналов выводились для целей отладки. Эти сигналы предоставляют информацию о состоянии процессора. В последнее время этот термин также охватывает аппаратные отладчики на основе JTAG, которые обеспечивают эквивалентный доступ, используя встроенное аппаратное обеспечение для отладки стандартных производственных микросхем. Использование стандартных микросхем вместо специализированных версий с выводами контактов делает технологию повсеместной и недорогой, а также устраняет большинство различий между средой разработки и средой выполнения. В этом распространенном случае термин "эмулятор в схеме" является неточным, а иногда и вводящим в заблуждение, поскольку эмуляция больше не используется. Встроенные системы представляют особые проблемы для программистов, поскольку они обычно не имеют клавиатур, мониторов, дисководов и других пользовательских интерфейсов, которые присутствуют на компьютерах. Эти недостатки делают инструменты отладки программного обеспечения в схеме необходимыми для многих распространенных задач разработки.

Функция

Эмулятор встроенных цепей (ICE) предоставляет возможность заглянуть внутрь встраиваемой системы. Программист использует эмулятор для загрузки программ во встраиваемую систему, их запуска, пошагового выполнения, а также для просмотра и изменения данных, используемых программным обеспечением системы. Эмулятор получил свое название, поскольку он эмулирует (имитирует) центральный процессор (CPU) компьютера встраиваемой системы. Традиционно он имел разъем, который вставлялся в гнездо, предназначенное для интегральной схемы CPU. Большинство современных систем используют процессор целевой системы напрямую, с использованием специального отладочного доступа на основе JTAG. Эмуляция процессора или прямой доступ к нему через JTAG позволяет ICE выполнять любые действия, которые способен выполнять процессор, но под управлением разработчика программного обеспечения. ICE подключает к встраиваемой системе компьютерный терминал или персональный компьютер (ПК). Терминал или ПК предоставляет интерактивный пользовательский интерфейс для программиста, позволяющий исследовать и управлять встраиваемой системой. Например, обычно используется отладчик на уровне исходного кода с графическим интерфейсом, который взаимодействует через адаптер JTAG (эмулятор) с встраиваемой целевой системой, не имеющей графического пользовательского интерфейса. Важно отметить, что при сбое программы большинство встраиваемых систем просто становятся неработоспособными. Встраиваемым системам часто не хватает базовых функций для обнаружения признаков сбоя программного обеспечения, таких как блок управления памятью (MMU) для перехвата ошибок доступа к памяти. Без ICE разработка встраиваемых систем может быть чрезвычайно сложной, поскольку обычно невозможно определить причину ошибки. С ICE программист обычно может тестировать отдельные фрагменты кода, затем изолировать ошибку до конкретного участка кода, а затем изучить неисправный код и переписать его для устранения проблемы. В процессе работы ICE предоставляет программисту точки останова выполнения, отображение и мониторинг памяти, а также управление вводом/выводом. Кроме того, ICE может быть запрограммирован на поиск любого диапазона соответствующих критериев для остановки, чтобы попытаться определить источник сбоя. Большинство современных микроконтроллеров используют ресурсы, предусмотренные в производственной версии микроконтроллера, для программирования устройства, эмуляции и отладки, вместо того чтобы требовать специальную эмуляционную версию (то есть, с выводами) целевого микроконтроллера. Несмотря на то, что это экономически эффективный метод, поскольку модуль ICE управляет только эмуляцией, а не фактически эмулирует целевой микроконтроллер, приходится идти на компромиссы, чтобы поддерживать низкие цены на этапе производства, но при этом обеспечивать достаточное количество функций эмуляции для (относительно небольшого числа) приложений эмуляции.

An in circuit emulator (ICE) provides a window into the embedded system. The programmer uses the emulator to load programs into the embedded system, run them, step through them slowly, and view and change data used by the system's software. An emulator gets its name because it emulates (imitates) the central processing unit (CPU) of the embedded system's computer. Traditionally it had a plug that inserts into the socket where the CPU integrated circuit chip would normally be placed. Most modern systems use the target system's CPU directly, with special JTAG based debug access. Emulating the processor, or direct JTAG access to it, lets the ICE do anything that the processor can do, but under the control of a software developer. ICEs attach a computer terminal or personal computer (PC) to the embedded system. The terminal or PC provides an interactive user interface for the programmer to investigate and control the embedded system. For example, it is routine to have a source code level debugger with a graphical windowing interface that communicates through a JTAG adapter (emulator) to an embedded target system which has no graphical user interface. Notably, when their program fails, most embedded systems simply become bricked. Embedded systems often lack basic functions to detect signs of software failure, such as a memory management unit (MMU) to catch memory access errors. Without an ICE, the development of embedded systems can be extremely difficult, because there is usually no way to tell what went wrong. With an ICE, the programmer can usually test pieces of code, then isolate the fault to a particular section of code, and then inspect the failing code and rewrite it to solve the problem. In usage, an ICE provides the programmer with execution breakpoints, memory display and monitoring, and input/output control. Beyond this, the ICE can be programmed to look for any range of matching criteria to pause at, in an attempt to identify the origin of a failure. Most modern microcontrollers use resources provided on the manufactured version of the microcontroller for device programming, emulating, and debugging features, instead of needing another special emulation version (that is, bond out) of the target microcontroller. Even though it is a cost effective method, since the ICE unit only manages the emulation instead of actually emulating the target microcontroller, trade offs must be made to keep prices low at manufacture time, yet provide enough emulation features for the (relatively few) emulation applications.

Преимущества

Практически все встраиваемые системы имеют аппаратную и программную составляющие, которые разделены, но тесно взаимосвязаны. ICE (In-Circuit Emulator) позволяет запускать и тестировать программную часть на аппаратном обеспечении, для которого она предназначена, при этом предоставляя программисту инструменты для изоляции неисправного кода, такие как отладка на уровне исходного кода (отображающая программу в ее первоначальном виде) и пошаговое выполнение (позволяющее программистам запускать программы шаг за шагом для поиска ошибок). Большинство ICE состоят из адаптерного блока, расположенного между хост-компьютером ICE и тестируемой системой. Кабель и соединительный разъем подключают адаптер к гнезду, в котором встраиваемый центральный процессор (ЦП) или микроконтроллер устанавливается во встраиваемой системе. Современные ICE позволяют программистам получать доступ к встроенной в ЦП отладочной схеме через интерфейс JTAG или режим отладки по второму каналу (BDM) для отладки программного обеспечения встраиваемой системы. Эти системы часто используют стандартную версию чипа ЦП и могут подключаться непосредственно к отладочному порту на серийной системе. Их иногда называют отладчиками в схеме (ICD), чтобы подчеркнуть, что они не дублируют функциональность ЦП, а управляют уже существующим стандартным ЦП. Поскольку замена ЦП не требуется, они могут работать на серийных устройствах, где ЦП припаян и не может быть заменен. В процессорах x86 Pentium ICE используют специальный "режим зондирования" для облегчения отладки. В контексте встраиваемых систем ICE не эмулирует аппаратное обеспечение. Вместо этого он обеспечивает прямой доступ к отладке фактического ЦП. Система, находящаяся под тестом, находится под полным контролем, что позволяет разработчику загружать, отлаживать и тестировать код напрямую. Большинство хост-систем – это обычные коммерческие компьютеры, не связанные с ЦП, используемым для разработки. Например, ПК с Linux может использоваться для разработки программного обеспечения для системы, использующей чип Freescale 68HC11, процессор, который не может запускать Linux. Программист обычно редактирует и компилирует код встраиваемой системы также на хост-системе. Хост-система будет оснащена специальными компиляторами, которые генерируют исполняемый код для встраиваемой системы, называемые перекрестными компиляторами или перекрестными ассемблерами.

Virtually all embedded systems have a hardware element and a software element, which are separate but tightly interdependent. The ICE allows the software element to be run and tested on the hardware on which it is to run, but still allows programmer conveniences to help isolate faulty code, such as source level debugging (which shows a program as it was originally written) and single stepping (which lets programmers run programs step by step to find errors). Most ICEs consist of an adaptor unit that sits between the ICE host computer and the system to be tested. A pin header and cable assembly connects the adaptor to a socket where the actual central processing unit (CPU) or microcontroller mounts within the embedded system. Recent ICEs enable programmers to access the on chip debug circuit that is integrated into the CPU via JTAG or background debug mode interface (BDM) to debug the software of an embedded system. These systems often use a standard version of the CPU chip, and can simply attach to a debug port on a production system. They are sometimes called in circuit debuggers or ICDs, to distinguish the fact that they do not replicate the functionality of the CPU, but instead control an already existing, standard CPU. Since the CPU need not be replaced, they can operate on production units where the CPU is soldered in and cannot be replaced. On x86 Pentiums, a special 'probe mode' is used by ICEs to aid in debugging. In the context of embedded systems, the ICE is not emulating hardware. Rather, it is providing direct debug access to the actual CPU. The system under test is under full control, allowing the developer to load, debug and test code directly. Most host systems are ordinary commercial computers unrelated to the CPU used for development. For example, a Linux PC might be used to develop software for a system using a Freescale 68HC11 chip, a processor that cannot run Linux. The programmer usually edits and compiles the embedded system's code on the host system, as well. The host system will have special compilers that produce executable code for the embedded system, termed cross compilers or cross assemblers.

Ошибка на чипе

Отладка на кристалле является альтернативой эмуляции в схеме. Она использует иной подход для достижения аналогичной цели. Отладка на кристалле, часто неформально называемая Joint Test Action Group (JTAG), использует предоставление дополнительного интерфейса отладки к работающему оборудованию непосредственно в производственной системе. Она предоставляет те же возможности, что и отладка в схеме, такие как проверка внутреннего состояния или переменных, и может поддерживать установку контрольных точек, точек останова и точек слежения. Отличие заключается в том, что это обеспечивается дополнительной кремниевой частью внутри производственного процессора, а не заменой процессора на внебортовой эмулятор отладки. По этой причине некоторые функции ICE могут изменяться в соответствии со спецификациями процессора. Дополнительный интерфейс JTAG добавляется к контроллерной плате и требуется в каждой производственной системе, однако, поскольку для этого требуется лишь несколько сигнальных выводов, дополнительные затраты минимальны. Интерфейсы JTAG изначально разрабатывались и до сих пор полезны для финального тестирования производства.

Информация

Для поддержки отладки с помощью внутрисхемного эмулятора (ICE) на Intel 286, на процессоре было доступно пять дополнительных выводов: один входной вывод для внешнего принудительного вызова точки останова ICE (ICEBP#) и две альтернативные пары выходных выводов для выбора операций через шину ICE вместо обращения к пользовательской памяти. На 80286 существуют две инструкции (0F 04, 0F 05) для сохранения/восстановления полного состояния процессора в область памяти с адресом смещения 0x800, а также однобайтовый префикс переопределения (F1) для включения режима ICE и получения доступа к пользовательской памяти.