RISC-V debug专栏1 --- Introduction

• 设计调试需求：当设计从仿真转向硬件实现时，用户对系统状态的控制和理解能力大幅下降，因此硬件内置良好的调试支持至关重要。虽然在有健壮操作系统（OS）运行时，软件可处理许多调试任务，但在很多场景中，硬件支持仍是必不可少的。
• 平台：由一个或多个组件组成的单个集成电路，这些组件可能是 RISC-V 核心或其他功能模块，通常都连接到单个系统总线。单个 RISC-V 核心包含一个或多个硬件线程（harts）。
• DXLEN：一个 hart 支持的最宽 XLEN

Feature

介绍一种调试接口所支持的功能特性，下面用大白话给你解释：

1. 寄存器读写：所有硬件线程（hart）的寄存器（包括控制状态寄存器 CSRs），都能随便读和写。
2. 内存访问方式：访问内存有两种选择，要么从硬件线程的 “视角” 去访问，要么直接通过系统总线去访问，也可以两种方式一起用。
3. 支持多种 RISC - V 类型：不管是 32 位（RV32）、64 位（RV64），还是未来可能出的 128 位（RV128）的 RISC - V，这个调试接口都能支持。
4. 独立调试每个硬件线程：平台里的任何一个硬件线程（hart），都可以单独进行调试，互相不干扰。
5. 调试器自动发现信息：调试器自己就能找到几乎所有它需要知道的东西，不需要用户去手动配置。
6. 从第一条指令开始调试：每个硬件线程（hart）从执行第一条指令的时候，就可以开始调试了，一开始就能 “盯着” 它。
7. 软件断点暂停：当执行到软件断点指令时，硬件线程（hart）能停下来。
8. 硬件单步执行：可以一次只执行一条指令，慢慢走，方便观察每一步的情况。
9. 调试功能与传输方式无关：不管用什么方式来传输调试相关的数据，调试功能都能正常用。
10. 调试器无需了解内部结构：调试器不需要知道它正在调试的硬件线程（hart）内部的复杂构造

下面带 （Optional） 是可选特性，不是必须有的：
11. 任意硬件线程同时停 / 恢复：可以让任意几个硬件线程（hart）同时停下来或者恢复运行。
12. 停了的硬件线程执行任意指令：硬件线程（hart）停下来后，可以让它执行任意指令。只要有办法把相关状态移到通用寄存器（GPRs），就算核心有额外或自定义指令 / 状态，也不需要新的调试功能。
13. 不暂停访问寄存器：不用让硬件线程（hart）停下来，就能访问它的寄存器。
14. 运行时执行短指令序列：正在运行的硬件线程（hart），可以被指挥去执行一小段指令，而且这么做不会太 “麻烦”（开销小）。
15. 系统总线主设备访问内存：有个系统总线主设备，能直接访问内存，不用经过任何硬件线程（hart）。
16. 触发条件暂停：当触发条件（比如程序计数器 PC、读写地址 / 数据、指令操作码）满足时，硬件线程（hart）能停下来。

system overview

外部调试支持的组成图，虚线部分可有可无。用户用运行调试器（如 gdb）的笔记本（调试主机）。调试器通过调试翻译器（如 OpenOCD，带硬件驱动）和调试传输硬件（如特定适配器）连接到平台的调试传输模块（DTM）。DTM 用 DMI 接口连调试模块（DM）。每个 hart 由一个 DM 管，hart 可以不一样，通常一个核心的 hart 被同一个 DM 控制，多数平台一个 DM 管所有 hart。DM 控制 hart 运行，用抽象命令访问通用寄存器，其他寄存器可通过命令或给程序缓冲区写程序访问。程序缓冲区能让调试器在 hart 执行任意指令，也能访问内存。还有个可选的系统总线访问块，不通过 hart 就能访问内存。每个 hart 还可能有触发模块，满足条件就停下并告诉调试模块。

• 整体连接关系：
  你就像一个 “指挥官”，通过一台笔记本电脑（调试主机，比如它运行着调试器软件 gdb）来发起调试操作。调试器会和一个 “翻译官”（调试翻译器，例如 OpenOCD，它可能还包含硬件驱动）沟通，这个 “翻译官” 再和一个 “硬件桥梁”（调试传输硬件，比如 Olimex USB - JTAG 适配器这种硬件）交流。最后，这个 “硬件桥梁” 把笔记本电脑和平台里的 “调试传输模块”（DTM）连起来。DTM 呢，又能通过 “调试模块接口”（DMI）去访问一个或多个 “调试模块”（DM）。

• 调试模块（DM）与硬件线程（hart）的关系：
  平台里的每个 “硬件线程”（hart，可理解为芯片里的一个 “工作单元”）都由且只由一个 DM 控制。这些 hart 可以是 “不一样的”（异构）。虽然对 hart 和 DM 怎么配对没太多死规定，但一般来说，同一个核心里的 hart 会被同一个 DM 控制。大多数平台里，往往就一个 DM 来控制平台里所有的 hart。

• DM 的功能：
  DM 能对它控制的 hart 进行 “运行控制”（比如让 hart 开始、停止运行）。通过 “抽象命令” 可以访问通用寄存器（GPRs，好比是 hart 的 “小笔记本”，用来临时记数据）。其他额外的寄存器呢，要么也通过 “抽象命令” 访问，要么给一个 “程序缓冲区”（可选的，相当于一个临时的 “指令小仓库”）写程序来访问。

• 程序缓冲区与系统总线访问：
  “程序缓冲区” 很有用，它允许调试器让 hart 执行任意指令，就像给 hart 下任意的小任务。这个机制还能用来访问内存。另外，有个 “可选的系统总线访问块”（相当于一个特殊通道），它允许不通过 RISC - V 的 hart 去访问内存，绕开 hart 直接操作内存。

• 触发模块：
  每个 RISC - V 的 hart 还可以有一个 “触发模块”。打个比方，它就像一个 “门卫”，当满足特定条件（比如特定的指令、地址操作等）时，hart 就会停下来，并且告诉调试模块 “我停下啦”。

这样一整套机制，就构成了从外部电脑通过各种桥梁和模块，对芯片里的 hart 进行调试的能力。