インサーキットエミュレーション

インサーキット エミュレーション( ICE ) は、組み込みシステムのソフトウェアをデバッグするために使用されるハードウェア デバイスまたはインサーキット エミュレーターの使用です。これは、システムの主要機能を実行するだけでなく、デバッグ操作をサポートする追加機能を備えたプロセッサを使用して動作します。特にプロセッサが限られている古いシステムの場合、通常はプロセッサを一時的にハードウェア エミュレーターに置き換えます。ハードウェア エミュレーターは、より強力ですが、より高価なバージョンです。これは歴史的に、デバッグの目的で引き出される多くの内部信号を持つボンドアウト プロセッサの形をとっていました。これらの信号は、プロセッサの状態に関する情報を提供します。

最近では、この用語はJTAGベースのハードウェア デバッガーもカバーしており、オンチップ デバッグハードウェアを使用して標準の生産チップと同等のアクセスを提供します。カスタム ボンド アウト バージョンの代わりに標準チップを使用すると、このテクノロジは普及し、低コストになり、開発環境とランタイム環境の違いがほとんどなくなります。この一般的なケースでは、インサーキット エミュレータという用語は誤った名称であり、エミュレーションが関係しなくなるため、混乱を招くこともあります。

組み込みシステムには、通常、コンピューターにあるキーボード、モニター、ディスク ドライブ、その他のユーザー インターフェイスがないため、プログラマーにとって特別な問題が生じます。これらの欠点により、多くの一般的な開発タスクでは、インサーキット ソフトウェア デバッグ ツールが不可欠になります。

インサーキット エミュレータ (ICE) は、組み込みシステムへのウィンドウを提供します。プログラマーはエミュレータを使用して、組み込みシステムにプログラムをロードし、実行し、ゆっくりとステップ実行し、システムのソフトウェアで使用されるデータを表示および変更します。

エミュレーターは、組み込みシステムのコンピューターの中央処理装置(CPU) をエミュレート (模倣) するため、その名前が付けられています。従来、エミュレーターには、CPU集積回路チップが通常配置されるソケットに挿入するプラグがありました。最近のシステムのほとんどは、特別な JTAG ベースのデバッグ アクセスを使用して、ターゲット システムの CPU を直接使用します。プロセッサをエミュレートするか、プロセッサに直接 JTAG アクセスすると、ICE はプロセッサが実行できるすべての操作を、ソフトウェア開発者の制御下で実行できます。

ICE は、コンピュータ端末またはパーソナル コンピュータ(PC) を組み込みシステムに接続します。端末または PC は、プログラマが組み込みシステムを調査および制御するための対話型ユーザー インターフェイスを提供します。たとえば、グラフィカル ウィンドウ インターフェイスを備えたソース コード レベルのデバッガーは、JTAG アダプター (エミュレーター) を介して、グラフィカル ユーザー インターフェイスのない組み込みターゲット システムと通信するのが一般的です。

特に、プログラムが失敗すると、ほとんどの組み込みシステムは単に機能しなくなります。組み込みシステムには、メモリアクセスエラーを捕捉するメモリ管理ユニット(MMU)など、ソフトウェア障害の兆候を検出するための基本機能が欠けていることがよくあります。ICE がなければ、何が問題なのかを判断する方法がないため、組み込みシステムの開発は非常に困難になる可能性があります。ICE を使用すると、プログラマーは通常、コードの一部をテストし、特定のコードセクションに障害があることを特定し、障害のあるコードを検査して書き直して問題を解決できます。

使用時には、ICE は実行ブレークポイント、メモリの表示と監視、および入出力制御をプログラマーに提供します。さらに、ICE は、障害の原因を特定するために、一時停止する一致基準の範囲を探すようにプログラムできます。

最近のマイクロコントローラのほとんどは、デバイスのプログラミング、エミュレーション、およびデバッグ機能のために、ターゲットマイクロコントローラの別の特別なエミュレーションバージョン（つまり、ボンドアウト）を必要とする代わりに、マイクロコントローラの製造バージョンで提供されるリソースを使用します。^[1]これはコスト効率の高い方法ですが、ICEユニットはターゲットマイクロコントローラを実際にエミュレートするのではなく、エミュレーションを管理するだけなので、製造時に価格を低く抑えながら、（比較的少数の）エミュレーションアプリケーションに十分なエミュレーション機能を提供するというトレードオフを行う必要があります。

事実上、すべての組み込みシステムにはハードウェア要素とソフトウェア要素があり、これらは別々ですが、密接に相互依存しています。ICE を使用すると、ソフトウェア要素を、それが実行されるハードウェア上で実行およびテストできますが、ソース レベルのデバッグ(プログラムを元の記述どおりに表示する) やシングルステップ実行(プログラムをステップごとに実行してエラーを見つける) など、プログラマーにとって便利な機能を使用して、エラーのあるコードを切り分けることができます。

ほとんどの ICE は、ICE ホスト コンピュータとテスト対象のシステムの間にあるアダプタ ユニットで構成されています。ピン ヘッダーとケーブル アセンブリによって、アダプタが、組み込みシステム内の実際の中央処理装置(CPU) またはマイクロコントローラが取り付けられているソケットに接続されます。最近の ICE では、プログラマが JTAG またはバックグラウンド デバッグ モード インターフェイス(BDM)を介して CPU に統合されているオンチップ デバッグ回路にアクセスし、組み込みシステムのソフトウェアをデバッグできます。これらのシステムでは、CPU チップの標準バージョンが使用されることが多く、生産システムのデバッグ ポートに簡単に接続できます。これらは、CPU の機能を複製するのではなく、既存の標準 CPU を制御するという点を区別するために、インサーキット デバッガまたは ICD と呼ばれることもあります。CPU を交換する必要がないため、CPU がはんだ付けされていて交換できない生産ユニットでも動作できます。x86 Pentium では、デバッグを支援するために ICE によって特別な「プローブ モード」が使用されます。^[2]

組み込みシステムのコンテキストでは、ICE はハードウェアをエミュレートするわけではありません。実際の CPU への直接デバッグ アクセスを提供します。テスト対象のシステムは完全に制御されているため、開発者はコードを直接ロード、デバッグ、テストできます。

ほとんどのホスト システムは、開発に使用される CPU とは無関係な通常の商用コンピュータです。たとえば、Linux PC は、Linux を実行できないプロセッサであるFreescale 68HC11チップを使用するシステム用のソフトウェアを開発するために使用される場合があります。

プログラマーは通常、ホスト システム上で組み込みシステムのコードも編集およびコンパイルします。ホスト システムには、組み込みシステム用の実行可能コードを生成する特別なコンパイラがあり、クロス コンパイラまたはクロスアセンブラと呼ばれます。

オンチップ デバッグは、インサーキット エミュレーションの代替手段です。同様の目的を達成するために、異なるアプローチを使用します。

オンチップ デバッグは、多くの場合、 JTAG ( Joint Test Action Group ) とも呼ばれ、生産システムでライブ ハードウェアへの追加のデバッグ インターフェイスを提供します。内部状態や変数の検査など、インサーキット デバッグと同じ機能を提供し、チェックポイント、ブレークポイント、ウォッチポイントを設定する機能を持つ場合があります。違いは、プロセッサをオフボード デバッグ エミュレータと交換するのではなく、生産プロセッサ内の追加のシリコンによって提供されることです。このため、ICE の機能の一部はプロセッサの仕様によって変更されます。コントローラ ボードに追加の JTAG インターフェイスが追加されます。これはすべての生産システムで必要ですが、必要なのは信号ピンの数だけなので、追加コストは最小限です。JTAG インターフェイスは、もともと生産終了時のテスト用に開発され、現在でも生産終了時のテストに役立っています。

Intel 286上でインサーキットエミュレータ (ICE) デバッグをサポートするために 、プロセッサ上で 5 つの追加ピンが使用可能でした。1 つは ICE ブレークポイントを外部から強制するための入力ピン ( ICEBP#)、もう 1 つはユーザーメモリではなく ICE バス経由の操作を選択するための 2 つの代替出力ピンです。^[3] 80286 には、CPU 状態全体をメモリオフセット 0x800 にダンプ/復元するための 2 つの命令 ( 0F 04、0F 05) と、ICE モードでユーザーメモリにアクセスできるようにする 1 バイトのオーバーライドプレフィックス ( F1) があります。

• 共同テストアクショングループ
• バックグラウンドデバッグモードインターフェース
• ハードウェア支援による仮想化
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• ジャック・ガンスルの初心者コーナー記事
• インサーキットエミュレーターの選び方 Jonathan Hector著