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Trace辅助工具实现代码分析与实时覆盖率统计

1. 简介

Jlink 想必大家都用过,相信登录过 segger 官方网站,下载最新的 jlink 驱动程序的时候,都会看到这样的图片:

在兴叹它那离谱的价格的同时,也会好奇这个东西比手里的x版货都有哪些优势和提升。

以上图片是 segger 官方对 J-Trace 的定位:

使用基于 segger 领先的 trace 方案 J-Trace PRO 实现对代码的收集、验证、分析功能。利用 Arm Cortex 内核的 trace 功能,在无限时长内,实现对所有指令的跟踪,实现对偶然出现的、难以被复现的 bug 追踪记录。

在完整的 System Clock 内实时流式传输 trace。

使用在线代码分析功能来精细优化代码。

指令级别的代码覆盖率检测,为满足安全性规约约束的需求。

无限制的 trace 追踪,实现隔离和识别潜在的代码缺陷。

完整的 J-Link 调试功能

可以看出它最大的卖点就在 arm trace 的信号流捕捉和分析,实现代码的精确流程跟踪,有了精确的代码跟踪,就可以借助 Ozone 工具提供实时分析代码覆盖率、指令回溯、CPU 资源监控等功能。

这么多优点,配合强大的 Ozone 调试平台,code coverage 实时统计,一键生成报表,boom。仿佛那最后的 bug 就可以用它来反复蹂躏、踩在脚底。..感动人心!直到看到售价:

Price: €1,980 EUR

这个价格可以买一台高配的 MacBook 了,但对比其他支持trace接口调试器来说,性价比出众,例如 trace32。

2. 物理连接

如图所示 segger 的 19 pin trace 接口(1.27mm 牛角),在 JTAG 基础上增加了 5 条 trace 线(4 条数据线 + 1 条时钟线,双边沿模式(DDR))。

有一点要注意一下,不要把两个接口都接到板子上:

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

注意:不要同时使用 trace 连接线和 JTAG 连接线,这将导致 debug 和 trace 的不稳定现象。

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

3. 打钱

既然本篇目主要介绍 J-Trace 的入门教程,自然就需要有这么一台设备支持一下了。

三句话,让老板为我花了1W8,终于拿到它:

你要问盒子里有没有跳线帽,这个真没有:

可以看见这个板子使用了 ARM cortex A9 + FPGA 的 Zynq-7010 作为主控,通过 Zynq 专有总线与赛普拉斯 CYUSB3011 USB3.1 控制器连接,CYUSB3011 内部也具备一颗 ARM926 200MHz 的控制核心,用于协调 USB3.1 高速传输协议。

周边还有美满的千兆 phy 收发器,芯成的LPDDR2 128MBytes 533Mhz,用于高速收发和缓冲 trace packet,对于电脑主机来说尽量配备大内存和独立的 USB3.0 接口。

外围就是一些电平转换电路和电源了,都是 TI 的一些常见型号,总的来看 JTAG 和 trace port 的逻辑由 FPGA 硬件逻辑实现,当作 J-Link 可以用 zui 高速调试,下载效果要好很多。

4. 什么是 Trace

在上一节我们简单介绍了 J-Trace ,至于为什么三句话说服了老板,我们还是要以专业视角看 trace 的引入能够解决哪些实际的问题。

J-Trace 的标准包装很“贴心”地赠送了一张 STM32F407 核心板,它用的不是标准 Jtag 接口,而是支持 Trace 的接口,我们可以像官网那样去连接和测试 Trace 功能:

翻看 STM32F407 的 RM(RM0090.pdf) 手册,找到 Debug support 章节,可以看见 芯片内部负责 Debug 的系统框图:

可以看见我们主要关注且日常见到的一些片上调试模块:

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 系列支持的扩展功能:

Flexible debug pinout assignment

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

归纳一下就是:

SWJ-DP 这个大家都熟悉,不必介绍,其他的也许使用过,但多数情况下我们不会在意它们的存在。

ITM 可以支持 SWO 输出调试,挖个坑下回填。

很多定位中低端的MCU就直接丢弃掉 Trace Port 相关电路单元了,加上对外接调试设备的高要求(贵)以至于很多工程师并不知道 ARM Cortex 上其实还有 JTAG/SWD 之外的调试端口。

本文重心围绕指令追踪,我们重点来看 ETM:

对于ETM,需要了解:

ETM 的主要任务是帮助开发者重建程序执行序列,CPU 上所有指令的执行都可以被 ETM 追踪到。

数据可由 DWT 或者 ITM 单元追踪到。

Embedded Trace Macrocell (ETM) 提供结合了 ARM 的调试和追踪机制,它可以做到在不干扰 CPU 的情况下获取 CPU 的运行状态,一旦捕捉到,便实时通过特定的 Trace 端口向外输出。

具备 ETM 模块的 MCU 可以实现详尽的指令执行历史记录,这些记录可以作为重现代码流程和执行时间的依据,使用分析软件实现代码分析,借此找到难以复现的bug。最难能可贵的是,它可以帮助我们找到失控的代码的根源所在。

此外,ETM还有更多特性有待进一步了解,比如常见的 ETB、Filter & Package Formatter 等细节属性,有待进一步啃手册了。

更多有关 ETM 资料,请翻阅《Embedded Trace Macrocell Architecture Specification》 、《ARM CoreSight Architecture Specification》 、《ARMv7-M Architecture Reference Manual》

综上,ETM 并不是对外输出的最终形式,在 STM32F4xx RM0090.pdf 中有如下结构:

可见 ETM 和 ITM 生成 CPU 运行的追踪信息后,由 TPIU 模块执行封包,并使用对外已经连接的序列器输出,由这张图片可以得出以下结论:

Trace辅助工具实现代码分析与实时覆盖率统计

终于涉及到物理层连接了,自然就会引出物理连接概念:Trace signal timing (追踪信号时序)

上一章节我们知道 ETM 信息是可以和 CPU 同频的,以达到最佳的指令追踪覆盖效果,对于 Cortex-M 架构,ARM 有如下定义:

trace 时钟往往是 1/2 的 CPU 时钟,但是 trace data 线路可以是 DDR (双倍速率-亦称上升下降沿)方式通信,通常 data 线有4条,意味着一个 trace 时钟周期可以输出1个字节的 trace 数据。

trace 硬件接入,笔者经验总结:

如今 MCU 主频也在不断递进,为了保持高速的 trace 也必然对线路阻抗与信号输出能力提出了更苛刻的要求。由于是 DDR 方式地获取追踪数据,所以在 Layout 上就需要做好等长,为了保证良好的 trace 稳定性,也应当从 MCU IO 翻转输出能力和CPU主频两个角度的上限妥协一个较为稳定的时钟速率。

由于是高速 DDR 信号,时序上要尽量满足以下要求:

Trace CLK 作为时钟基准,如上图所示 Trace Data 被时钟上升或下降沿一分为二(50%占空比)是最佳的信号效果,如果 Trace Data 出现了较多的超前或者滞后,也可以在 Ozone 中设置延迟补偿,这里不过多介绍了。

5. 总结

Trace 能够帮助解决面向过程测试中,以不干扰CPU正常运行为前提,揭示程序运行踪迹,解决最麻烦的bug。

Trace 辅助工具可以实现代码分析与实时覆盖率统计,帮助我们以直观运行视角,揭示代码优化方向。

这套工具除了贵没别的不好,Ozone 调试功能强大且好用,它是免费的,只需要有 J-Link 就行。

责任编辑:haq

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