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就嵌入式系統(tǒng)和SOC而言，汽車、大規(guī)模計算、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)計成為主流。在無人駕駛、AI和ML這些領(lǐng)域，多核異構(gòu)芯片正變得越來越普遍，而在數(shù)據(jù)中心這類應(yīng)用場景中，有數(shù)千個處理器——隨著功能迭代，這個數(shù)量將達到百萬兆級——在同時運行，這些不同的處理器之間的交互對系統(tǒng)級行為產(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)計增加了一個前所未有的選項，芯片系統(tǒng)復(fù)雜度的增加使得芯片設(shè)計的投入越來越高——一顆7nm芯片從設(shè)計到流片需要2億美金——因而保障它們被正確的設(shè)計和運行最終得以變現(xiàn)的工具就愈發(fā)重要。

大規(guī)模系統(tǒng)設(shè)計要解決的問題

SoC中多個硬件模塊、固件和軟件之間的復(fù)雜交互已經(jīng)使實時的全生命周期監(jiān)測成為SoC設(shè)計人員不可或缺的工具。設(shè)計方法的改變也正在使整個系統(tǒng)的監(jiān)測比以往任何時候都更有必要。靈活的軟件開發(fā)和特殊編程實踐本質(zhì)上都需要實際系統(tǒng)的高細節(jié)可見性。同樣，系統(tǒng)硬件和軟件的構(gòu)建過程需要工程師清楚地了解其系統(tǒng)運行時的行為。

“芯片設(shè)計人員總是希望能夠更快的進行系統(tǒng)級芯片開發(fā)和調(diào)試，系統(tǒng)設(shè)計則需要增強的連接能力，基于硬件的安全防護能力，功能安全性，現(xiàn)場性能和功耗優(yōu)化，”UltraSoC首席執(zhí)行官Rupert Baines說?！芭cSynopsys這類設(shè)計工具公司提供的產(chǎn)品不同，UltraSoC的產(chǎn)品是以IP的方式固化在用戶芯片中，這對于用戶而言，分析和調(diào)試不僅是研發(fā)期，而且延長到了整個產(chǎn)品生命周期。”UltraSoC是一家為SoC設(shè)計提供內(nèi)部分析、追蹤與監(jiān)測IP的公司，這些IP將可擴展的分析技術(shù)和通信架構(gòu)加入SoC中,包括開發(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)測工具，支持ARM、MIPS、RISC-V等多種CPU架構(gòu)

開發(fā)環(huán)境需要簡化

UltraSoC去年10月推出了一個集成開發(fā)環(huán)境工具——UltraDevelop 2 IDE。該工具集成了調(diào)試、運行控制和性能調(diào)優(yōu)功能，可為硬件、固件和軟件的運行提供集成化的視圖，以及高級異常檢測、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軟件執(zhí)行的集成化可視性。對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，包括利用不同處理器架構(gòu)的內(nèi)核組合，支持開發(fā)復(fù)雜的異構(gòu)系統(tǒng)——如上所言，這些系統(tǒng)正變得越來越普遍?！按蛟霼ltraDevelop 2的目的，是為了給SoC設(shè)計人員在選擇開發(fā)平臺時提供功能和靈活性的最佳組合，并且有能力對20多種CPU架構(gòu)進行實時運行控制?！盉aines說，“開發(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。”

圖：AI處理器的數(shù)據(jù)處理量達到3Gbit/S，要對延時和帶寬進行分析，UltraDevelop 2通過自有數(shù)據(jù)庫比對過濾掉無效的數(shù)據(jù)，提高分析效率

UltraDevelop 2的系統(tǒng)級整體開發(fā)方法意味著開發(fā)人員能夠在任何抽象級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

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

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)計的商用追蹤編碼器IP，對指令執(zhí)行和數(shù)據(jù)內(nèi)存訪問進行編碼，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、一系列計數(shù)器和定時器以及快速分析描繪工具。

硬件防護的安全性會更高

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

這一硬件防護功能是基于UltraSoC的裸金屬安全防護（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級別，對于攻擊者，BMS極難被發(fā)現(xiàn)或被破壞。

除了越來越多的使用高級硬件和軟件與物理世界交互使得系統(tǒng)對安保要求越來越高，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的激增也需要對SOC的內(nèi)部行為進行高粒度的監(jiān)控，且不僅是開發(fā)期間，還要能夠在部署后進行分析調(diào)試。以汽車網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)SAE J3061為例，該標(biāo)準(zhǔn)要求在從開發(fā)到現(xiàn)場使用的整個產(chǎn)品生命周期中監(jiān)測和控制安全保護功能，包括能夠去監(jiān)測事故和侵入系統(tǒng)的企圖并報告此類事件。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)性和隨機性錯誤，實現(xiàn)新級別的安全性和安全防護功能，并支持現(xiàn)場系統(tǒng)健康監(jiān)測和高級取證。

“UltraDevelop 2的基礎(chǔ)架構(gòu)也包括專門針對提高汽車安全性與安全防護能力而優(yōu)化的功能，”Baines說，“包括用于檢查冗余模塊之間一致性的鎖步監(jiān)測器?！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，第三方鎖步功能會更客觀。

據(jù)悉，UltraSoC去年11月和一家專精于設(shè)計和驗證高完整性關(guān)鍵系統(tǒng)技術(shù)的公司ResilTech達成一項合作計劃，旨在針對ISO26262標(biāo)準(zhǔn)進一步提高汽車系統(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

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

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。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在特定時刻所做的工作，周期精確跟蹤解決了這個問題。

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