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就嵌入式系統(tǒng)和SOC而言，汽車、大規(guī)模計(jì)算、IoT和5G 通信等應(yīng)用使得多核異構(gòu)、多處理架構(gòu)的設(shè)計(jì)成為主流。在無(wú)人駕駛、AI和ML這些領(lǐng)域，多核異構(gòu)芯片正變得越來(lái)越普遍，而在數(shù)據(jù)中心這類應(yīng)用場(chǎng)景中，有數(shù)千個(gè)處理器——隨著功能迭代，這個(gè)數(shù)量將達(dá)到百萬(wàn)兆級(jí)——在同時(shí)運(yùn)行，這些不同的處理器之間的交互對(duì)系統(tǒng)級(jí)行為產(chǎn)生的影響需要有效的跟蹤和調(diào)試。

此外，RSIC-V這樣的新型處理器架構(gòu)的興起也給SOC設(shè)計(jì)增加了一個(gè)前所未有的選項(xiàng)，芯片系統(tǒng)復(fù)雜度的增加使得芯片設(shè)計(jì)的投入越來(lái)越高——一顆7nm芯片從設(shè)計(jì)到流片需要2億美金——因而保障它們被正確的設(shè)計(jì)和運(yùn)行最終得以變現(xiàn)的工具就愈發(fā)重要。

大規(guī)模系統(tǒng)設(shè)計(jì)要解決的問(wèn)題

SoC中多個(gè)硬件模塊、固件和軟件之間的復(fù)雜交互已經(jīng)使實(shí)時(shí)的全生命周期監(jiān)測(cè)成為SoC設(shè)計(jì)人員不可或缺的工具。設(shè)計(jì)方法的改變也正在使整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)比以往任何時(shí)候都更有必要。靈活的軟件開(kāi)發(fā)和特殊編程實(shí)踐本質(zhì)上都需要實(shí)際系統(tǒng)的高細(xì)節(jié)可見(jiàn)性。同樣，系統(tǒng)硬件和軟件的構(gòu)建過(guò)程需要工程師清楚地了解其系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的行為。

“芯片設(shè)計(jì)人員總是希望能夠更快的進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)芯片開(kāi)發(fā)和調(diào)試，系統(tǒng)設(shè)計(jì)則需要增強(qiáng)的連接能力，基于硬件的安全防護(hù)能力，功能安全性，現(xiàn)場(chǎng)性能和功耗優(yōu)化，”UltraSoC首席執(zhí)行官Rupert Baines說(shuō)?！芭cSynopsys這類設(shè)計(jì)工具公司提供的產(chǎn)品不同，UltraSoC的產(chǎn)品是以IP的方式固化在用戶芯片中，這對(duì)于用戶而言，分析和調(diào)試不僅是研發(fā)期，而且延長(zhǎng)到了整個(gè)產(chǎn)品生命周期?！盪ltraSoC是一家為SoC設(shè)計(jì)提供內(nèi)部分析、追蹤與監(jiān)測(cè)IP的公司，這些IP將可擴(kuò)展的分析技術(shù)和通信架構(gòu)加入SoC中,包括開(kāi)發(fā)、分析和數(shù)據(jù)可視化的算法及工具,以及用于信息安全的分析技術(shù)。

圖：UltraSoC為SOC提供的調(diào)試和監(jiān)測(cè)工具，支持ARM、MIPS、RISC-V等多種CPU架構(gòu)

開(kāi)發(fā)環(huán)境需要簡(jiǎn)化

UltraSoC去年10月推出了一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境工具——UltraDevelop 2 IDE。該工具集成了調(diào)試、運(yùn)行控制和性能調(diào)優(yōu)功能，可為硬件、固件和軟件的運(yùn)行提供集成化的視圖，以及高級(jí)異常檢測(cè)、可視化和數(shù)據(jù)科學(xué)等功能。

圖：UltraDevelop 2 IDE可為硬件、固件和軟件的運(yùn)行提供集成化的視圖界面

基于Percepio的Tracealyzer功能，UltraDevelop 2為工程師提供了硬件操作和高級(jí)軟件執(zhí)行的集成化可視性。對(duì)Imperas的多處理器調(diào)試器的集成，使UltraDevelop 2能夠支持多核、多線程平臺(tái)，包括利用不同處理器架構(gòu)的內(nèi)核組合，支持開(kāi)發(fā)復(fù)雜的異構(gòu)系統(tǒng)——如上所言，這些系統(tǒng)正變得越來(lái)越普遍?！按蛟霼ltraDevelop 2的目的，是為了給SoC設(shè)計(jì)人員在選擇開(kāi)發(fā)平臺(tái)時(shí)提供功能和靈活性的最佳組合，并且有能力對(duì)20多種CPU架構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行控制。”Baines說(shuō)，“開(kāi)發(fā)人員可以從UltraSoC現(xiàn)有的合作伙伴處獲得和部署第三方工具，并支持底層的UltraSoC硬件功能，或者他們可以選擇UltraSoC提供的預(yù)集成配置?！?/div>

圖：AI處理器的數(shù)據(jù)處理量達(dá)到3Gbit/S，要對(duì)延時(shí)和帶寬進(jìn)行分析，UltraDevelop 2通過(guò)自有數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)過(guò)濾掉無(wú)效的數(shù)據(jù)，提高分析效率

UltraDevelop 2的系統(tǒng)級(jí)整體開(kāi)發(fā)方法意味著開(kāi)發(fā)人員能夠在任何抽象級(jí)別上查看和分析軟件和硬件之間的交互。據(jù)悉，Microsemi不久前推出的PolarFire SoC架構(gòu)所強(qiáng)調(diào)的“廣泛的調(diào)試能力”正是受益于此，該架構(gòu)屬于其RISC-V Mi-V生態(tài)系統(tǒng)。

RISC-V的特殊需求

作為一個(gè)快速增長(zhǎng)的開(kāi)源處理器，RISC-V用戶的增長(zhǎng)迅速。據(jù)悉，目前UltraSoC的客戶中，已有一半來(lái)自RISC-V，包括Andes, Esperanto, Lauterbach, Microchip和SiFive。“Esperanto的高性能計(jì)算系統(tǒng)在同一顆芯片上放置了一千個(gè)RISC-V處理器和AI/ML加速器，Western Digital則承諾將其存儲(chǔ)處理器中的10億個(gè)核心轉(zhuǎn)換為RISC-V架構(gòu)（SweRV Core處理器），”Baines說(shuō)道。

和ARM等其他處理器已內(nèi)置自有的ETM（嵌入式跟蹤宏單元）不同，RISC-V沒(méi)有ETM，所以，該公司在2018年初推出了業(yè)界第一款也是唯一一款專為RISC-V設(shè)計(jì)的商用追蹤編碼器IP，對(duì)指令執(zhí)行和數(shù)據(jù)內(nèi)存訪問(wèn)進(jìn)行編碼，并輸出一種高度壓縮的追蹤格式，外部軟件可以隨后獲取此數(shù)據(jù)并使用它來(lái)重建程序執(zhí)行流程。其他通用功能則包括數(shù)據(jù)和指令追蹤、一系列計(jì)數(shù)器和定時(shí)器以及快速分析描繪工具。

硬件防護(hù)的安全性會(huì)更高

從安全的角度講，分析工具最好是獨(dú)立于主系統(tǒng)，且是非侵入式的。“硬件防護(hù)分析速度更快，而且不會(huì)被惡意軟件發(fā)現(xiàn)，”Baines說(shuō)，“同時(shí)，也要滿足結(jié)果實(shí)時(shí)可見(jiàn)并能夠運(yùn)行軟件進(jìn)行調(diào)整。UltraDevelop 2集成了諸如異常檢測(cè)和防止惡意入侵等硬件支持的安全性與安全防護(hù)特性?！?/div>

這一硬件防護(hù)功能是基于UltraSoC的裸金屬安全防護(hù)（Bare Metal Security，BMS）技術(shù)，該技術(shù)提供“比操作系統(tǒng)更底層”的、基于硬件的安全防護(hù)級(jí)別，對(duì)于攻擊者，BMS極難被發(fā)現(xiàn)或被破壞。

除了越來(lái)越多的使用高級(jí)硬件和軟件與物理世界交互使得系統(tǒng)對(duì)安保要求越來(lái)越高，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的激增也需要對(duì)SOC的內(nèi)部行為進(jìn)行高粒度的監(jiān)控，且不僅是開(kāi)發(fā)期間，還要能夠在部署后進(jìn)行分析調(diào)試。以汽車網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)SAE J3061為例，該標(biāo)準(zhǔn)要求在從開(kāi)發(fā)到現(xiàn)場(chǎng)使用的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中監(jiān)測(cè)和控制安全保護(hù)功能，包括能夠去監(jiān)測(cè)事故和侵入系統(tǒng)的企圖并報(bào)告此類事件。另外，類似畫面凍結(jié)誤導(dǎo)系統(tǒng)判斷的情況也需要能夠提出預(yù)警或輔助處理系統(tǒng)進(jìn)行決策。這就要求分析工具可在已部署的產(chǎn)品里發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性和隨機(jī)性錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)新級(jí)別的安全性和安全防護(hù)功能，并支持現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)和高級(jí)取證。

“UltraDevelop 2的基礎(chǔ)架構(gòu)也包括專門針對(duì)提高汽車安全性與安全防護(hù)能力而優(yōu)化的功能，”Baines說(shuō)，“包括用于檢查冗余模塊之間一致性的鎖步監(jiān)測(cè)器?！彪m然大多數(shù)處理器都有鎖步功能，但在多處理架構(gòu)系統(tǒng)中，第三方鎖步功能會(huì)更客觀。

據(jù)悉，UltraSoC去年11月和一家專精于設(shè)計(jì)和驗(yàn)證高完整性關(guān)鍵系統(tǒng)技術(shù)的公司ResilTech達(dá)成一項(xiàng)合作計(jì)劃，旨在針對(duì)ISO26262標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提高汽車系統(tǒng)的功能安全合規(guī)性。

圖：鎖步功能監(jiān)測(cè)可防止處理器出現(xiàn)異步頻率的故障

周期精確追蹤的重要性

在實(shí)時(shí)和性能關(guān)鍵型（performance-critical）應(yīng)用中，周期精確追蹤正變得越來(lái)越重要，工程師需要將其硬件和軟件代碼的運(yùn)行優(yōu)化到單時(shí)鐘周期的水平，即被CPU、GPU、DSP或加速器所識(shí)別的最小時(shí)間單位。

UltraSoC不久前在其UltraDevelop 2 IDE中增加了周期精確的追蹤功能——RISC-V Trace Encoder追蹤編碼器，支持32位和64位RISC-V設(shè)計(jì)。該技術(shù)最初將作為UltraSoC用于RISC-V處理器追蹤解決方案的一部分提供。

Baines強(qiáng)調(diào)，當(dāng)前處理器跟蹤解決方案只跟蹤程序流，如跳轉(zhuǎn)、分支、中斷等。但不能直接看到CPU在特定時(shí)刻所做的工作，周期精確跟蹤解決了這個(gè)問(wèn)題。

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