RISC-V学习笔记【调试】

蜂鸟E203的开源调试实现

蜂鸟E203在处理器内核外集成了一套调试外设，能够支持完整的GDB调试功能，并可以通过openocd经由jtag接口实现在线调试

调试机制

交互调试Interactive Debug

交互调试是处理器提供的最常见的一种调试功能，指调试器软件能够直接对处理器取得控制权，进而对其以一种交互的方式进行调试

一般的交互调试要求调试软件能够控制处理器实现以下功能：

• 下载、启动程序
• 通过设定各种特定条件来停止程序
• 查看并改变处理器的运行状态
• 查看通用寄存器、存储器地址的值
• 查看并改变程序状态（包括变量值、函数状态）

对于嵌入式设备，调试软件一般运行在上位机，被调试的处理器往往位于开发板上，这被称为远程调试

因此需要硬件支持通过物理介质（典型的JTAG接口）与主机端调试软件进行通信接收器控制，处理器核直接受到硬件调试模块的控制

常见的调试过程可以如下概括：

1. 开发者运行调试软件，并在某条程序处设置断点调试
2. 调试软件通过底层驱动JTAG接口访问远程处理器的调试模块并将断点信息传递给调试模块
3. 调试模块得到指令后会请求处理器内核运行停止
4. 调试模块根据断点信息修改对应指令的PC地址的指令，将其替换为一个Breakpoint指令
5. 请求恢复处理器内核运行
6. 处理器内核恢复运行
7. 执行到对应的指令PC地址，遇到Breakpoint指令
8. 内核产生Debug异常，自动跳转到调试模式的异常服务程序
9. 调试模块检测到处理器内核进入调试模式的异常服务程序，将信息回传到上位机
10. 开发者运行主机端的调试软件并设置读取某个寄存器的值
11. 调试软件会通过JTAG接口访问远程处理器的调试模块，并令其回传某个寄存器的值
12. 调试模块开始对处理器内核进行控制，将寄存器的值读取出来，并进行回传
13. 调试软件检测到调试模块回传，通过JTAG接口将数据返回上位机并进行显示

其他调试指令大同小异，都是一整套复杂的软硬件协同过程

交互式调试的弊端就是对于处理器的运行具有打扰性，对某些对时间先后性有依赖的程序无法重现bug，并且对于某些需要外界触发的bug（比如MCU中常见的GPIO外部中断）无法进行检测

由此出现了跟踪调试机制

追踪调试Trace Debug

追踪调试又叫跟踪调试：调试器只跟踪记录处理器内核所执行过的所有程序指令，不会打断干扰处理器的执行过程

相比交互式调试的实现难度更大，产生的信息量更是大到不可描述的地步

所以只有财大气粗的高端处理器才可能搭载这种技术

不排除有闲的蛋疼的dalao给自己写的cpu配备追踪调试（雾）

蜂鸟E203的调试功能

RISC-V基金会还未发布标准的RISC-V调试架构文档，但是根据目前的候选文档，要求处理器实现特殊的“调试模式”，并且定义了若干触发条件，因此可以将RISC-V的调试模式看作一种特殊的异常。当进入调试模式时，处理器会进行如下更新：

1. PC跳转到0x800地址
2. 将处理器正在执行的指令PC保存到CSR->dpc中
3. 将引发进入调试模式的触发原因保存到CSR->dcsr中

同时，RISC-V标准指令集中已经定义了一条特殊的断点指令ebreak，该指令主要用于调试软件设置断点——当处理器运行到这条指令时会自动跳转到异常模式或调试模式，同时候选文档中规定了一个特殊的dret指令，执行到该指令时，处理器PC将跳转到保存在SCR->dpc中的值（处理器退回到之前进入调试模式前的程序执行点），并将CSR->dcsr寄存器中的域清除掉（指示处理器退出调试模式）。此外，候选文档中还定义处理器应支持调试中断，处理器核收到该中断后将进入调试模式

蜂鸟E203的硬件调试机制就基于该方案实现，目前蜂鸟E203仅支持交互式调试，不支持追踪调试

蜂鸟E203的调试实现

调试主机即PC端上位机，使用GDB与蜂鸟E203进行通信，在蜂鸟的实现中，GDB现与Gdbserver进行通信，Gdbserver使用开源软件OpenOCD充当。由于OpenOCD的源码中包含了各种常见硬件芯片的驱动（如FTDI的USB转JTAG芯片），可以直接使用对应芯片的USB接口与调试主机的USB接口连接。上位机的总线时序使用片上的DTM模块进行解析。被解析后的调试总线时序被传输到硬件调试模块中，该模块统筹整个调试机制。

DTM模块

该模块使用FSM对JTAG协议进行解析并转换成调试总线，由于DTM模块处于JTAG时钟域，与调试总线要访问的调试模块不属于同一个时钟域，所以需要被同步

硬件调试模块

可以访问/rtl/e203/debug/sirv_debug_module.v、/rtl/e203/debug/sirv_debug_ram.v、/rtl/e203/debug/sirv_debug_rom.v这三个文件来翻阅硬件调试模块的源代码

调试中断会被该模块生成并作为一根输入信号输送给处理器的交付模块。调试终端一旦被接受，就会引起流水线冲刷，取消后续的指令并向IFU模块发送冲刷请求，将重新取指的PC改为0x800

其他操作根据候选文档中指明的调试机制实现，可查看官方文档。