一种片内硬件调试支持单元设计

　　随着计算机体系结构的发展和半导体制造工艺的进步，单个芯片上可以集成更多的电路，如处理器、逻辑核、存储器核、模拟模块、RF 模块等，这些共同构成了单芯片系统，也就是常说的片上系统( System on Chip,SoC) 。片上系统的出现使得芯片可以实现更加复杂的功能，获取更高的性能，但同时其内部信号也变得越来越难以观察和控制，相应的测试和调试工作也遇到了难以克服的时间复杂性困难。国际半导体技术路线图( Internat io nal Technolo gy Roadmap for Semico nducto rs，IT RS) 指出，调试和定位问题所需要的时间将会随着工艺的进步呈指数型增长。由于测试和调试工作的复杂性，其费用往往比设计费用还要高，大约要占整个SoC 总设计成本的1/ 3 以上。在整个SoC 的硬件设计过程中，从第一次投片到最后成功的实现所有功能，硬件调试的时间已经接近整个时间的35%，而且这个数字随着集成度的提高还会增加。

　　在整个片上系统中，微处理器是核心，也是最复杂的模块，所以各个处理器内核的提供商也都投入了大量的研发力量，在其内核中集成了丰富的调试功能。当今流行的调试技术大多采用复用JT AG 的调试方案，但是这种方法一般都是在目标系统内部插入扫描链，当处理器高速工作的时候，难免会限制处理器性能的提高。

　　为此，该设计提出一种新的调试结构，它不依赖JTA G接口且需要较少的引脚开销，通过挂接在片上高速总线上来实时监测片内通信状况，同时它直接与处理器进行交互，能够在不影响处理器正常工作的情况下控制处理器以及访问所有片上存储单元，用户可以通过专用的数据输出链路进行远程调试，发布调试指令以及获取反馈信息。结合以上特点，该设计将以文献[ 3]中提出的一个良好调试结构所需具备的三个基本特征作为设计出发点: 调试的可观察性; 调试的可控制性; 高效的通信效率; 低入侵性。

　　1 调试系统构成

　　以硬件调试模块DSU 为核心，AMBA 2. 0 总线为构架，专用UART 为调试链路接口的系统结构如图1所示。

图1 调试系统结构图

　　调试主机通过总线接口U ART 对调试单元发出调试指令; 调试单元将控制系统的调试状态，在满足触发条件时将通过与处理器的直接通信来挂起处理器，用户可以利用调试主机通过调试接口访问片上所有存储单元，获取系统状态信息; 总线追踪缓存可以工作在两种模式下，在正常模式下通过DSU 实时记录总线通信状态，而在调试模式下，将由调试主机对其进行访问，寻找问题发生的根源; 指令追踪缓存处于微处理器内部，用来存储执行过的指令; 调试接口UART 将为调试主机和总线之间提供协议转换服务，实现串行数据与并行数据的相互转化。