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Trace輔助工具實(shí)現(xiàn)代碼分析與實(shí)時(shí)覆蓋率統(tǒng)計(jì)

RTThread物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng) ? 來源:RTThread物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng) ? 作者:RT-Thread ? 2021-10-09 15:33 ? 次閱讀
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1. 簡(jiǎn)介

Jlink 想必大家都用過,相信登錄過 segger 官方網(wǎng)站,下載最新的 jlink 驅(qū)動(dòng)程序的時(shí)候,都會(huì)看到這樣的圖片:

在興嘆它那離譜的價(jià)格的同時(shí),也會(huì)好奇這個(gè)東西比手里的x版貨都有哪些優(yōu)勢(shì)和提升。

以上圖片是 segger 官方對(duì) J-Trace 的定位:

使用基于 segger 領(lǐng)先的 trace 方案 J-Trace PRO 實(shí)現(xiàn)對(duì)代碼的收集、驗(yàn)證、分析功能。利用 Arm Cortex 內(nèi)核的 trace 功能,在無限時(shí)長(zhǎng)內(nèi),實(shí)現(xiàn)對(duì)所有指令的跟蹤,實(shí)現(xiàn)對(duì)偶然出現(xiàn)的、難以被復(fù)現(xiàn)的 bug 追蹤記錄。

在完整的 System Clock 內(nèi)實(shí)時(shí)流式傳輸 trace。

使用在線代碼分析功能來精細(xì)優(yōu)化代碼。

指令級(jí)別的代碼覆蓋率檢測(cè),為滿足安全性規(guī)約約束的需求。

無限制的 trace 追蹤,實(shí)現(xiàn)隔離和識(shí)別潛在的代碼缺陷。

完整的 J-Link 調(diào)試功能

可以看出它最大的賣點(diǎn)就在 arm trace 的信號(hào)流捕捉和分析,實(shí)現(xiàn)代碼的精確流程跟蹤,有了精確的代碼跟蹤,就可以借助 Ozone 工具提供實(shí)時(shí)分析代碼覆蓋率、指令回溯、CPU 資源監(jiān)控等功能。

這么多優(yōu)點(diǎn),配合強(qiáng)大的 Ozone 調(diào)試平臺(tái),code coverage 實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì),一鍵生成報(bào)表,boom。仿佛那最后的 bug 就可以用它來反復(fù)蹂躪、踩在腳底。..感動(dòng)人心!直到看到售價(jià):

Price: €1,980 EUR

這個(gè)價(jià)格可以買一臺(tái)高配的 MacBook 了,但對(duì)比其他支持trace接口的調(diào)試器來說,性價(jià)比出眾,例如 trace32。

2. 物理連接

如圖所示 segger 的 19 pin trace 接口(1.27mm 牛角),在 JTAG 基礎(chǔ)上增加了 5 條 trace 線(4 條數(shù)據(jù)線 + 1 條時(shí)鐘線,雙邊沿模式(DDR))。

有一點(diǎn)要注意一下,不要把兩個(gè)接口都接到板子上:

Note: Never connect trace cable and JTAG cable at the same time because this may lead tounstable debug and trace connections.

注意:不要同時(shí)使用 trace 連接線和 JTAG 連接線,這將導(dǎo)致 debug 和 trace 的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

參考:《UM08001: J-Link / J-Trace User Guide》

3. 打錢

既然本篇目主要介紹 J-Trace 的入門教程,自然就需要有這么一臺(tái)設(shè)備支持一下了。

三句話,讓老板為我花了1W8,終于拿到它:

你要問盒子里有沒有跳線帽,這個(gè)真沒有:

可以看見這個(gè)板子使用了 ARM cortex A9 + FPGA 的 Zynq-7010 作為主控,通過 Zynq 專有總線與賽普拉斯 CYUSB3011 USB3.1 控制器連接,CYUSB3011 內(nèi)部也具備一顆 ARM926 200MHz 的控制核心,用于協(xié)調(diào) USB3.1 高速傳輸協(xié)議。

周邊還有美滿的千兆 phy 收發(fā)器,芯成的LPDDR2 128MBytes 533Mhz,用于高速收發(fā)和緩沖 trace packet,對(duì)于電腦主機(jī)來說盡量配備大內(nèi)存和獨(dú)立的 USB3.0 接口。

外圍就是一些電平轉(zhuǎn)換電路和電源了,都是 TI 的一些常見型號(hào),總的來看 JTAG 和 trace port 的邏輯由 FPGA 硬件邏輯實(shí)現(xiàn),當(dāng)作 J-Link 可以用 zui 高速調(diào)試,下載效果要好很多。

4. 什么是 Trace

在上一節(jié)我們簡(jiǎn)單介紹了 J-Trace ,至于為什么三句話說服了老板,我們還是要以專業(yè)視角看 trace 的引入能夠解決哪些實(shí)際的問題。

J-Trace 的標(biāo)準(zhǔn)包裝很“貼心”地贈(zèng)送了一張 STM32F407 核心板,它用的不是標(biāo)準(zhǔn) Jtag 接口,而是支持 Trace 的接口,我們可以像官網(wǎng)那樣去連接和測(cè)試 Trace 功能:

翻看 STM32F407 的 RM(RM0090.pdf) 手冊(cè),找到 Debug support 章節(jié),可以看見 芯片內(nèi)部負(fù)責(zé) Debug 的系統(tǒng)框圖:

可以看見我們主要關(guān)注且日常見到的一些片上調(diào)試模塊:

SWJ-DP: Serial wire / JTAG debug port

AHP-AP: AHB access port

ITM: Instrumentation trace macrocell

FPB: Flash patch breakpoint

DWT: Data watchpoint trigger

TPUI: Trace port unit interface

ETM: Embedded Trace Macrocell

以及文中提及到,STM32F4xx 系列支持的擴(kuò)展功能:

Flexible debug pinout assignment

MCU debug box (support for low-power modes, control over peripheral clocks, etc.)

歸納一下就是:

SWJ-DP 這個(gè)大家都熟悉,不必介紹,其他的也許使用過,但多數(shù)情況下我們不會(huì)在意它們的存在。

ITM 可以支持 SWO 輸出調(diào)試,挖個(gè)坑下回填。

很多定位中低端的MCU就直接丟棄掉 Trace Port 相關(guān)電路單元了,加上對(duì)外接調(diào)試設(shè)備的高要求(貴)以至于很多工程師并不知道 ARM Cortex 上其實(shí)還有 JTAG/SWD 之外的調(diào)試端口

本文重心圍繞指令追蹤,我們重點(diǎn)來看 ETM:

對(duì)于ETM,需要了解:

ETM 的主要任務(wù)是幫助開發(fā)者重建程序執(zhí)行序列,CPU 上所有指令的執(zhí)行都可以被 ETM 追蹤到。

數(shù)據(jù)可由 DWT 或者 ITM 單元追蹤到。

Embedded Trace Macrocell (ETM) 提供結(jié)合了 ARM 的調(diào)試和追蹤機(jī)制,它可以做到在不干擾 CPU 的情況下獲取 CPU 的運(yùn)行狀態(tài),一旦捕捉到,便實(shí)時(shí)通過特定的 Trace 端口向外輸出。

具備 ETM 模塊的 MCU 可以實(shí)現(xiàn)詳盡的指令執(zhí)行歷史記錄,這些記錄可以作為重現(xiàn)代碼流程和執(zhí)行時(shí)間的依據(jù),使用分析軟件實(shí)現(xiàn)代碼分析,借此找到難以復(fù)現(xiàn)的bug。最難能可貴的是,它可以幫助我們找到失控的代碼的根源所在。

此外,ETM還有更多特性有待進(jìn)一步了解,比如常見的 ETB、Filter & Package Formatter 等細(xì)節(jié)屬性,有待進(jìn)一步啃手冊(cè)了。

更多有關(guān) ETM 資料,請(qǐng)翻閱《Embedded Trace Macrocell Architecture Specification》 、《ARM CoreSight Architecture Specification》 、《ARMv7-M Architecture Reference Manual》

綜上,ETM 并不是對(duì)外輸出的最終形式,在 STM32F4xx RM0090.pdf 中有如下結(jié)構(gòu):

可見 ETM 和 ITM 生成 CPU 運(yùn)行的追蹤信息后,由 TPIU 模塊執(zhí)行封包,并使用對(duì)外已經(jīng)連接的序列器輸出,由這張圖片可以得出以下結(jié)論:

00cd541e-22a0-11ec-82a8-dac502259ad0.png

終于涉及到物理層連接了,自然就會(huì)引出物理連接概念:Trace signal timing (追蹤信號(hào)時(shí)序)

上一章節(jié)我們知道 ETM 信息是可以和 CPU 同頻的,以達(dá)到最佳的指令追蹤覆蓋效果,對(duì)于 Cortex-M 架構(gòu),ARM 有如下定義:

trace 時(shí)鐘往往是 1/2 的 CPU 時(shí)鐘,但是 trace data 線路可以是 DDR (雙倍速率-亦稱上升下降沿)方式通信,通常 data 線有4條,意味著一個(gè) trace 時(shí)鐘周期可以輸出1個(gè)字節(jié)的 trace 數(shù)據(jù)。

trace 硬件接入,筆者經(jīng)驗(yàn)總結(jié):

如今 MCU 主頻也在不斷遞進(jìn),為了保持高速的 trace 也必然對(duì)線路阻抗與信號(hào)輸出能力提出了更苛刻的要求。由于是 DDR 方式地獲取追蹤數(shù)據(jù),所以在 Layout 上就需要做好等長(zhǎng),為了保證良好的 trace 穩(wěn)定性,也應(yīng)當(dāng)從 MCU IO 翻轉(zhuǎn)輸出能力和CPU主頻兩個(gè)角度的上限妥協(xié)一個(gè)較為穩(wěn)定的時(shí)鐘速率。

由于是高速 DDR 信號(hào),時(shí)序上要盡量滿足以下要求:

Trace CLK 作為時(shí)鐘基準(zhǔn),如上圖所示 Trace Data 被時(shí)鐘上升或下降沿一分為二(50%占空比)是最佳的信號(hào)效果,如果 Trace Data 出現(xiàn)了較多的超前或者滯后,也可以在 Ozone 中設(shè)置延遲補(bǔ)償,這里不過多介紹了。

5. 總結(jié)

Trace 能夠幫助解決面向過程測(cè)試中,以不干擾CPU正常運(yùn)行為前提,揭示程序運(yùn)行蹤跡,解決最麻煩的bug。

Trace 輔助工具可以實(shí)現(xiàn)代碼分析與實(shí)時(shí)覆蓋率統(tǒng)計(jì),幫助我們以直觀運(yùn)行視角,揭示代碼優(yōu)化方向。

這套工具除了貴沒別的不好,Ozone 調(diào)試功能強(qiáng)大且好用,它是免費(fèi)的,只需要有 J-Link 就行。

責(zé)任編輯:haq

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原文標(biāo)題:J-Trace入門系列1:感動(dòng)人心的功能與更感動(dòng)人心的售價(jià)

文章出處:【微信號(hào):RTThread,微信公眾號(hào):RTThread物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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