JTAGでArmプロセッサを デバッグする⽅法のつづき Toshifumi NISHINAGA (CV: ついなちゃん) @tnishinaga 2023-07-22 KernelVM Tokyo 16 https://speakerdeck.com/tnishinaga/kernelvm-tokyo16 1

⾃⼰紹介 • tnishinaga(CVついなちゃん） • kernelvm online 4でJTAGでarmプ ロセッサをデバッグする発表した ⼈ • https://speakerdeck.com/tnishinaga /kernelvm-online4 2

⽬次 • Armデバッグのおさらい • Armプロセッサデバッグのつづき • OdangoProbeの紹介 3

Armデバッグのおさらい 4

プロセッサデバッグの概要 gdb OpenOCD Interface Target gdb server USB JTAG SWD 5

Interface Processor JTAG armプロセッサデバッグの概要 6 DAP TAP Processor Core JTAG DPACC APACC TCK TMS TDI TDO opcode data デバッグ⽤ MMIO Debug Unit DP AP

armプロセッサデバッグ⽅法 のつづき 8

以下を追加でご紹介 • resume（実⾏再開） • step実⾏ • メモリアクセス • 基本版 • ⾼速版 • breakpoint • software • hardware 9

resume（実⾏再開） • debug stateから抜けて実⾏を再開する機能 • gdbのcontinue操作 • CTIを制御してリスタートリクエストトリガーイベントを起こ すとresumeする • 細かい⼿順は資料を参照 • CTIの理解に⾃信がないため • 参考 • ARM DDI 0487D.a H2.5 Exiting Debug State • ARM DDI 0487D.a Example H5-3 Synchronously restarting a group of PEs 10

step実⾏ • resume後、1命令実⾏後に⾃動で⽌まる機能 • gdbのstep操作 • EDSCRのSSフラグで設定する • 1命令実⾏後にhaltしてDebugStateに⼊る • 参考 • ARM DDI 0487D.a, H9.2.27 EDESR, External Debug Event Status Register 11

メモリアクセス • デバッガからプロセッサのメモリを読み書きする⽅法 • 以下の2パターンある • 基本 • ⾼速 12

メモリアクセス（基本） • CPUレジスタ経由でメモリアクセスする⽅法 • メリット • ⼿順が簡単 • 柔軟なアクセス • 8bitアクセス等も可 • デメリット • 低速 • メモリ読み込み例 • メモリをCPUレジスタにロード • CPUレジスタをデバッガで読み込む 13

メモリアクセス（⾼速） • メモリアクセス専⽤モードを利⽤する⽅法 • メリット • レジスタ経由より⾼速 • デメリット • ⼿順が⾯倒 • 最⼩アクセス単位が32bitなので柔軟性が低い • アーキテクチャマニュアルに⼿順が書かれている（*） • ARM DDI 0487D.a, K9-7311, Appendix K9 Recommended Upload and Download Processes for External Debug を参照 14 *: 参考元 https://github.com/openocd-org/openocd/blob/master/src/target/aarch64.c#L2149

⾼速メモリ読み込み⼿順例 1. DBGDTR経由でX0にメモリアドレス をセット 2. X0をDBGDTRに書き込む命令を EDITRにセット 3. EDSCRのMA（メモリアクセスモード ）を１にセット 4. DBGDTRからメモリの値を読み込む。 読み込み時にアドレスはインクリメン トされる 5. ⼿順4をn回繰り返して必要なだけ読み 込む 6. EDSCRのMAを0にして終了 15 図は ARM DDI 0487D.a, K9-7313より引⽤

breakpoint • 特定アドレスの命令実⾏前に処理を中断させる機能 • softwareとhardwareの2種類ある 16

software breakpointとhardware breakpoint • software breakpoint • ハードの機能を使わないbreakpoint • gdbでbreakコマンドを実⾏するとSW breakpointがセットされる • hardware breakpoint • CPUの機能を使うbreakpoint • gdbでhbreakコマンドを実⾏するとHW breakpointがセットされる • https://sourceware.org/gdb/onlinedocs/gdb/Set-Breaks.html 17

各breakpointのメリット・デメリット • software breakpoint • メリット • （理論上）無制限にbreakpointが作れる • デメリット • （armの場合）デバッガが異常終了するとメモリ上の実⾏バイナリが（多分）壊 れる • 実現⽅法の都合(後述） • hardware breakpoint • メリット • デバッガ側の実装は楽 • デメリット • 作れるbreakpoint数が有限（プロセッサ依存） 18

software breakpointの実現⽅法(A64) • 事前準備 • コアがHaltしたらDebugModeに⼊るようにしておく • EDSCRのHDEフラグを1にセット • セット⼿順 • breakpointを仕込みたいアドレスの命令をHLT命令に書き換える • デバッガは元の命令を覚えておく • https://github.com/openocd-org/openocd/blob/master/src/target/aarch64.c#L1276-L1301 • break時 • HLT命令実⾏時にコアがHaltしてDebug Stateに⼊る • 再開時（未検証） • 元々の命令をDBGITRで実⾏してプログラムカウンタを進める • 実⾏を再開する • 解除⽅法 • HLTに置き換えた命令をもとに戻す • https://github.com/openocd-org/openocd/blob/master/src/target/aarch64.c#L1577C4-L1605C3 19

hardware breakpointの実現⽅法(A64) • セット⼿順 • DBGBVRレジスタにbreakpointを仕込みたいアドレスをセットする • DBGBCRレジスタで以下を設定する • breakpoint exceptionを起こすモード（SSC, HMC, PMC) • exceptionを起こす命令の種類（BAS) • breakpointの有効化(E) • 詳細は参考資料※を参照 • break時 • debug stateに⼊る • 解除⽅法 • DBGBCRのEフラグを0にして無効化 20 ※参考資料 ARM DDI 0487D.a D2.9.3 Execution conditions for which a breakpoint generates Breakpoint exceptions G8.3.2 DBGBCR, Debug Breakpoint Control Registers, n = 0 ‒ 15 OpenOCD https://github.com/probe-rs/probe-rs/blob/578b8b247dd268eafe223d364a1421cf2fde1d7c/probe- rs/src/architecture/arm/core/armv8a.rs#L1059-L1080 probe-rs https://github.com/openocd-org/openocd/blob/master/src/target/aarch64.c#L1236-L1275

OdangoProbeの紹介 21

今こんなのつくってます • gdb server機能を持っ たデバッグインターフ ェース • マイコン内で制御するの で⾼速（のはず） • USBが11Mbpsのため • 先⾏: BlackMagicProbe • https://black- magic.org/index.html • RasPi Picoで動作 • フルrust実装 22 gdb OpenOCD Interface Target gdb server USB JTAG SWD gdb OdangoProbe gdb server Target JTAG SWD

実装概要 • マルチコア+⾮同期 • embassyを利⽤ • https://github.com /embassy- rs/embassy • gdb stubが1コアを 専有 • txがasync対応不可 のため 23 Core0 Core1 gdb stub task usb serial task (jtag)probe task pipe channel シリアル⼊出⼒ (gdbの通信) デバッガ制御

デモ • 間に合いませんでした（ごめんね） • RTIC(embassy)でbreakpoint等動くまでは開発・動作確認済み • RTICはasyncとマルチコア使えないため乗り換え と リファクタ開始 • ⾊々忙しくて間に合わず ←いまここ • 次回KernelVMまでに出せるようにしたい 24 ※: > Real-Time Interrupt-driven Concurrency (RTIC) framework https://github.com/rtic-rs/rtic より引⽤

参考資料 • ARM DDI 0487D.a • https://developer.arm.com/documentation/ddi0487/da/?lang=en 25