黄侃 徐勇 李艳荣
摘 要：为了解决当前硬件仿真器采用测试激励与探针采样调试方法导致的额外硬件资源需求增加以及调试方法复杂死板的问题，研究出一种虚拟GDB远程调试技术提高硬件仿真器的调试能力。首先，使用JTAG的消息代理器与事务处理器进行软件与硬件的信息交互，实现计算机与硬件仿真器的通信；
然后，通过VPI接口实现GDB与JTAG代理器的软件信息交互，完成虚拟GDB调试；
最后，在硬件仿真器中进行应用实验。结果表明，虚拟GDB远程调试系统可支持断点插入、单步运行、寄存器读写等功能，与插入探针的调试方法相比，使用虚拟GDB调试提速近百倍。虚拟GDB远程调试技术丰富了硬件仿真器的软件调试手段，增强了硬件仿真器的调试能力，提升了芯片设计验证效率。
关键词：计算机仿真；
远程调试技术；
硬件仿真加速器；
SCEMI；
JTAG事务器；
OpenOCD
中图分类号：TP391.9
文献标识码：A DOI：10.7535/hbkd.2023yx03001
收稿日期：2023-04-24；
修回日期：2023-06-06；
责任编辑：张士莹
基金项目：国家自然科学基金面上项目（61876051）；
深圳市科创委资助项目（KCXFZ20211020163402004）
第一作者简介：黄 侃（1990—），男，陕西蒲城人，博士，主要从事硬件仿真加速器系统及算法方面的研究。E-mail：hkhuangkan@hotmail.com
Virtual GDB remote debugging technology and its
application in emulator
HUANG Kan1，2，XU Yong1，LI Yanrong3
（1.School of Computer Science and Technology， Harbin Institute of Technology （Shenzhen）， Shenzhen，Guangdong 518000；
China; 2. SMiT Group （Shenzhen） Company Limited， Shenzhen， Guangdong 518000， China；
3.Shenzhen SMiT Jingrui Technology Company Limited， Shenzhen， Guangdong 518000，China）
Abstract：In order to solve the problem that the testbench stimulation and probe insertion debugging method of emulator requires extra hardware resources and has insufficient flexibility in software debugging， a virtual GDB remote debugging technology was researched to improve the debugging ability of the emulator. Firstly，JTAG proxy and JTAG transactor were used to support the connection between the workstation and the emulator. Then the signals between GDB and JTAG proxy were transmitted through VPI to complete the debugging of virtual GDB. Finally， the virtual GDB remote debugging system was applied in emulator for experiments. The results show that the virtual GDB remote debugging system can support breakpoint insertion， single step running， register reading and writing， and other functions. Compared with debugging by probe insertion， the virtual GDB system is almost hundred times faster. It greatly enriches the software debugging method and enhances the debugging ability of emulator， and improves the efficiency of the chip design and verification.
Keywords：computer simulation；
remote debugging technology; emulator; SCEMI; JTAG Transactor; OpenOCD
隨着超大规模集成电路的不断增长，以及产品迭代周期的不断缩短，电路仿真验证变得愈加困难。基于软件模拟（software simulation）的验证方法逐渐无法适用于如今超大规模集成电路的仿真验证，尤其是在仿真速度上出现了瓶颈问题［1］。因此，使用能够高速运行的硬件进行仿真加速成为现代超大规模集成电路仿真验证的重要技术途径。基于硬件仿真器（emulator）的仿真验证技术成为芯片设计及验证从业人员极为关注的重要技术手段［2］。
硬件仿真器常用的验证方法包含在线仿真模式（in-circuit emulation，ICE）［3］、基于事务加速模式（transaction based acceleration，TBA）［4］以及带目标的仿真加速模式（simulation acceleration with target）［5］，通过测试激励对待测器件（device-under-test，DUT）进行激励并将反馈信号与预期结果相比较来查找问题。文献［6］采用测试激励对Xilinx公司的FFT（fast fourier transform） IP核进行激励并获取反馈数据进行仿真调试，但是其只能针对一定周期数的指定信号进行采样来验证IP核的正确性，该IP相对于复杂芯片仅是极其微小的一部分，对于完整芯片的验证调试复杂度会成指数级增长。文献［7］构建了基于TBA的验证平台，需要构建额外的生成器、检查器、监视器等器件来完成对待测器件的验证，其对额外硬件资源需求增加较为明显。同时，还需要验证人员开发配套器件，也提升了验证成本。文献［8］通过增加探针及额外I/O卡进行软件调试，增加了软件调试的复杂性。此外，常用硬件仿真器中实时调试的手段只能通过加入静态探针、动态探针等方法获取DUT内部信号数据进行调试［9］。以上的仿真调试验证方法不仅需要消耗额外的硬件资源，还存在对DUT内运行软件调试灵活性不足的问题。同时，企业级硬件仿真器物理硬件复杂，JTAG（joint test action group）接口不便于接入，更加影响了硬件仿真器中的软件调试手段。
因此，为了使硬件仿真加速器的调试手段更加灵活，获取DUT内部信号的能力更加便捷，同时为了解决硬件仿真器不方便接入JTAG仿真器，以及尽可能减少验证成本及时间等问题，结合GDB（gnu debugger）调试技术、VPI通信接口以及基于SCEMI协议的JTAG代理器及事务器技术，对虚拟GDB远程调试技术进行研究，并在硬件仿真器中进行应用实验。
1 硬件仿真器中的JTAG调试系统
基于国际标准测试协议（IEEE 1149.1）的JTAG调试是如今普遍使用的嵌入式调试技术［10］。JTAG接口可读取或写入芯片内部封装的边界扫描链（boundary scan chain）寄存器的信息，帮助设计测试人员对DUT内部的行为逻辑进行调试。经典的JTAG调试系统结构如图1所示［11］，通过协议转换器将调试主机与调试对象相连。协议转换器主要将调试主机发送的高层调试命令转换为底层JTAG调试命令。现有JTAG协议转换器需要通过物理硬件来实现，如商用JLINK［12］，ST-LINK［13］等。
本文所用的JTAG调试命令通过TRSTn，CLK，TMS，TDI，TDO 5条控制及信号线进行数据交互，通过有限状态机控制各个信号的发送与接收，该状態机也是JTAG调试的核心运行逻辑，通过运行逻辑保证系统的正确运行，如图2所示。TRSTn信号为可选信号，用来对状态机复位，恢复到Test-Logic Reset状态。在TCK信号的驱动下，TMS信号对状态机状态进行控制，TDI与TDO信号访问边界扫描链的2种寄存器：指令寄存器（IR，instruction register）与数据寄存器（DR，data register）。通过对指令寄存器的配置可以控制待测器件按
指定命令执行功能，通过对数据寄存器的写入或读取来控制待测器件的数据输入或反馈输出。由以上方式完成待测器件的JTAG调试。
在硬件仿真器中，本文基于SCE-MI（standard co-emulation modeling interface）协议［14］生成JTAG的事务器模块，用来进行JTAG协议转换。硬件仿真器中的JTAG调试系统结构如图3所示。
图3中JTAG Proxy及JTAG Transactor为基于SCE-MI协议Function-based Channel实现的JTAG软件端代理器和硬件端事务器模块。通过SystemVerilog的DPI （direct programming interface）接口［15］实现接口函数，完成代理器及事务器的消息互通。JTAG Proxy及Transactor中所调用及声明的函数接口如表1所示。
Send_result_to_server（）及Send_cmdend_to_server（）是在代理器中实现的DPI接口，在事务器中进行主动调用，从而将JTAG中TDO的输出信号以及输出信号的终止信号发送给代理器。Send_cmd_to_xtor（）是事务器提供的DPI接口，供代理器调用，用来发送命令及数据给事务器。Send_cmd（）是代理器提供的API接口，用来让测试激励给代理器发送命令。Send_data（）是代理器提供的API接口，用来给测试激励发送反馈数据。
JTAG 事务器中通过有限状态机控制命令的解析、执行以及反馈。命令控制状态机的示意图如图4所示。该事务器有限状态机是控制事务器与代理器运行逻辑的核心模块，需要该状态机来控制事务器与代理器信号的发送与接收，从而保证事务器与代理器的正确运行。
该状态机中IDLE为空闲状态，PARSE_CMD为解析命令状态，EXEC_CMD为执行命令状态，SEND_ACK为发送回复状态，CMD_END为命令完成状态。其中PARSE_CMD状态中的命令包含RESET，STOP_SIMU，TMS_SEQ，SCAN_CHAIN， SCAN_CHAIN_FLIP_TMS共5条命令，用来根据上位机发送的CMD命令控制TMS信号。EXEC_CMD状态中根据解析得到的TMS信号，控制发送TMS和TDI信号给DUT，或者接收DUT发送的TDO信号。SEND_ACK状态将接收到的TDO信号传送给Proxy。代理器与事务器间交互的消息包含CMD，buffer_in，buffer_out，length，nb_bits共5个数据。其中CMD为命令状态机中的命令；
buffer_in存储TDO信号；
buffer_out存储TMS或TDI信号；
length存储代理器中数据的长度；
nb_bits存储事务器中需解析的数据位数。
通过JTAG事务器中命令控制状态机的控制以及代理器与事务器间消息的传递，JTAG代理器与事务器间即可构成调试信息通道，从而进行对待测器件的信息输入与反馈信号的获取。
2 虚拟GDB调试技术及其在硬件仿真器中的应用
使用JTAG Proxy及Transactor调试系统需要编写复杂的测试激励，对于DUT上运行的软件调试来说过于复杂。本文结合JTAG调试系统开发出虚拟GDB调试技术，使硬件仿真器可以脱离JTAG仿真器物理硬件，仅通过Host Server以及Emulator即可进行GDB调试。虚拟GDB技术通过VPI （virtual protocol interconnect）接口协议，将GDB命令解析转译为JTAG Proxy可识别的JTAG命令，结合JTAG Proxy及Transactor形成一整套GDB调试系统［16］，用于调试硬件仿真器中的DUT。其在硬件仿真器中的调试系统如图5所示。
使用的OpenOCD是一个开源调试软件，其与GDB调试工具可进行联合工作，支持现有ARM处理器、MIPS以及Intel FPGA等核心芯片的调试，也支持JLINK等商用的JTAG仿真器。OpenOCD主要包含3个模块：GDB服务模块、Proxy服务模块、目标模块配置模块。GDB服务模块用于GDB与OpenOCD的通信，其会建立一个线程循环监听通信连接，当收到GDB发送的RSP信息包格式的信息时，提取命令信息并发送给OpenOCD；
执行或者收到返回数据时，将返回数据封装成RSP信息包返回给GDB［17］。Proxy服务模块是基于调试访问端口（debug access port， DAP）实现的模块，用来将JTAG接口数据转译成不同的系统总线事务［18］从而与JTAG代理器进行通信。目标模块配置模块根据目标芯片进行匹配设置，进而与目标芯片进行连接配置确认，确认整个系统与对应的DUT建立连接。
GDB服务模块与Proxy服务模块使用默认配置建立连接，修改目标模块配置部分，使用VPI接口协议对硬件仿真器中的JTAG Proxy进行通信适配。配置JTAG_VPI_PORT端口为5555，JTAG_VPI_ADDERSS地址为127.0.0.1，通过地址端口建立连接。配置目标芯片为Cortex-M3，配置JTAG时钟为1 MHz，内存起始地址为0x200000000，大小为0x10000，指令位宽为4，掩码为0xf。
JTAG Proxy中增加Init_jtag_server（）函数，用来创建线程循环监听端口连接，端口与JTAG_VPI_PORT保持一致。当收到OpenOCD发送的数据时，首先将其转译为Proxy中可识别的命令存入数据结构中，然后调用Send_cmd（）函数将命令发送给Transactor，完成命令的发送。再将Send_data（）函数进行适配，将收到的JTAG信号封装为VPI数据，发送给Open-OCD，完成数据的返回。
3 测试结果与讨论
本文所用测试用例为开源的Cortex-M3内核［19］，经自主研发的硬件仿真器配套编译器编译后写入硬件仿真器。所用硬件仿真器为自主研发的企业级硬件仿真器，采用IntelS10系列FPGA组成阵列，单颗FPGA包含5 172 480个LUT（look-up table），7 758 720个FF（flip-flop），12 950个BRAM（block RAM），以及6 912个DSP（digital signal processor）。可支持10亿ASIC门的芯片设计进行硬件仿真验证。
所用服务器CPU为Intel Xeon Platinum8268 @2.9 GHz 128核，内存1 TB，在CentOS系统上启動软硬件。硬件仿真器以TBA模式启动成功后可显示Porxy正在监听端口5555，然后开启OpenOCD，读取端口连接信息及DAP的相关信息。例如：连接端口127.0.0.1：5555，JTAG tap为cm3，器件TAPID为0x4ba00477，如图6所示。启动GDB后执行target remote 127.0.0.1：3333，连接成功后执行load命令，将之前编译好的elf文件下载到Cortex-M3中进行调试。
本次测试对Cortex-M3内部寄存器进行赋值并通过单步执行获取每次赋值后的寄存器值，如图7所示，寄存器r0成功赋值为1。
该结果表明，整个虚拟GDB远程调试系统成功应用于硬件仿真器中，可进行GDB调试方法中的单步调试、寄存器值获取等操作，有效增强了硬件仿真器的调试能力。
当使用ICE模式运行时，接入JLINK仿真器到硬件仿真器的JTAG接口，同样可以进行远程调试，OpenOCD的连接情况如图8所示。
使用Cortex-M3在硬件仿真器中的编译及运行参数如表2所示。由表2可知，事务器所消耗的额外硬件资源量仅占单颗FPGA的0.2%，而运行频率可达到6 MHz，相比于其他硬件仿真器的1 MHz提升了6倍。
本文还使用插入探针的方法对DUT进行调试，通过探针抓取TCK，TMS，TDI以及TDO信号，得到的信号波形如图9所示。
本次插入4个静态探针，探针占用资源需要增加4个LUT以及32个FF，同时对调试时间进行比对。使用GDB调试获取寄存器数据，从启动GDB到获取数据用时不超过2 s；
使用探针进行信号抓取，从启动测试激励到信号抓取完成需180 s。可以看到，使用虚拟GDB调试系统可以加速调试时间近百倍。这是因为，探针抓取需要将信号引入专用的调试硬件IP，而后将数据存入存储器进行数据对齐等处理，最后才能显示波形，数据处理和显示需要消耗大量时间。另外，探针抓取的信号数量还受到存储器大小的约束，数据量超过存储器大小时将无法完整地保留所有数据。而使用虚拟GDB进行调试时，只需要输入对应的激励就可以即时获取想要的数据，这也体现出虚拟GDB调试系统的灵活性。
4 结 语
本文设计和开发了虚拟GDB远程调试系统，并成功应用于硬件仿真器中。相比于探针抓取的调试方法，虚拟GDB远程调试系统减少了近百倍的调试时间。该系统同时支持硬件仿真器的ICE模式和TBA模式，丰富了硬件仿真器的软件调试手段，同时还缩短了DUT的调试时间，方便硬件仿真器用户进行远程调试，为国产硬件仿真器提供了更加便捷灵活的软件调试方法。
但是，对于软件调试方法来说单纯GDB调试仅是基础功能。未来可将虚拟GDB远程调试技术与更高层次的集成开发环境（如eclipse等）相结合，开发出更为便捷的软件调试工具，方便芯片从业人员基于硬件仿真器对所设计的芯片进行仿真验证。
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