DE10303452B4

DE10303452B4 - Verfahren zur Steuerung der Unterbrechung und/oder der Aufzeichnung von Ausführungsdaten eines Programms in einem Mikrocontroller und Mikrocontroller mit einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10303452B4
Application number: DE2003103452
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. May; Jürgen NOLLES; Holger Dr. Sedlak
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: WO2004068345A2; DE10303452A1; WO2004068345A3

Abstract

Mikrocontroller (1), der zusätzlich zu den Schaltkreisen und Datenspeichern eines zu emulierenden Mikrocontrollers (2) eine Anordnung zur Steuerung der Unterbrechung und zur Aufzeichnung von Ausführungsdaten eines Programms aufweist, wobei
die Anordnung eine Debug-Einheit (3) und eine Steuerlogik (5) aufweist, die anhand eines bestimmten Programmbefehlen zugeordneten Selektionsattributs, welches durch ein erstes Zugriffsattribut, das die Unterbrechung des Programms erlaubt, und durch ein weiteres Zugriffsattribut, das die Aufzeichnung der Ausführungsdaten erlaubt, gebildet ist und definierte Zugriffsrechte der Debug-Einheit (3) auf Adressen eines Adressraums, in dem das Programm abgelegt ist, festlegt, steuert, dass die Debug-Einheit (3):
– ein Programm nur unterbrechen kann, wenn das erste Zugriffsattribut gesetzt ist,
– die Ausführungsdaten nur aufzeichnen kann, wenn das weitere Zugriffsattribut gesetzt ist, oder
– ein Programm unterbrechen und die Ausführungsdaten aufzeichnen kann, wenn das erste und das weitere Zugriffsattribut gesetzt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Unterbrechung und/oder der Aufzeichnung von Ausführungsdaten eines Programms in einem Mikrocontroller und einen Mikrocontroller mit einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Mikrocontroller umfassen nicht nur Steuer- und Rechenwerk, sondern zusätzlich auch ROM (read-only memory) und RAM (random access memory)- Speicher. Solche Bausteine werden in großer Breite zu Aufgaben der Steuerung von Geräten und Anlagen eingesetzt.
Mikrocontroller, die sicherheitsrelevante Informationen verarbeiten, die außerhalb des Controllers nicht beobachtet werden dürfen, wie zum Beispiel Smart Card Controller, die in Ausweiskarten, Kreditkarten, Buchungskarten und dergleichen eingesetzt werden, aber auch solche z.B. in digitalen Set Top Boxen oder Trusted Platform Modules, erlauben eine umfangreiche Datenverarbeitung im Controller selbst.
Einer der wesentlichen Vorteile eines Mikrocontrollers in einer solchen Smart Card zum Beispiel besteht in der vielfältigen Verwendungsmöglichkeit durch den Karteninhaber. Der Kartenhersteller stattet den Mikrocontroller mit einem fest gespeicherten Betriebssystem aus, welches grundlegende Funktionen, beispielsweise einen Vergleich eines extern eingegebenen Codes mit einem gespeicherten Code, übernimmt. Die zum Mikrocontroller gehörigen Speicher dienen außer zur Abspeicherung des Betriebssystems auch zur Abspeicherung von Fremdprogrammen und den Fremdprogrammen zugeordnete Daten. Der Kartenher steller stellt somit für den Anwender, daß heißt, für die die Karten ausgebende Organisation, einen Speicherbereich zur Einprogrammierung ihres Fremdprogramms bzw. der Applikation, zur Verfügung.
Die Entwicklung von Applikationen für Mikrocontroller benötigt eine Test- und Systemumgebung, um den korrekten Ablauf der Applikation unter Systembedingungen zu testen. Hierzu werden Emulatoren eingesetzt, die idealer Weise den Zustand des Zielsystems beim Programm-Ablauf für den Applikations-Entwickler zu beliebigen Zeitpunkten beobachtbar darstellen können.
Die Emulatoren von Mikrocontrollern zeichnen jede Zustandsänderung des Zielsystems auf und verarbeiten sie nachträglich weiter, um dem Programmierer die gewünschte Information darzustellen. Die komplette Darstellung aller Daten kann dann auch zur Programmoptimierung genutzt werden.
Eine übliche Realisierungsmöglichkeit für den Emulator eines ersten Mikrocontrollers (Zielsystems) besteht darin, einen zweiten Mikrocontroller zu entwickeln, der zusätzlich zu den Schaltkeisen des ersten Mikrocontrollers über eine Debug-Einheit verfügt, das heißt eine Zusatz- Soft- und Hardware, die die Aufgabe hat, den internen Datenfluß zu beobachten und die Daten über eine oder mehrere Schnittstellen an beispielsweise externe Zusatzplatinen des Emulators, die mit einer komplizierten Logik und großen Speichern die Daten aufzeichnen, weiterzureichen. Die Verarbeitung dieser Daten außerhalb des Mikrocontrollers hat den Nachteil, daß zur Prozessierung der Daten eine hohe Anzahl an Pins der Debug-Einheit notwendig ist und somit ihre Fläche durch die Anzahl der Pins bestimmt ist.

In der DE 101 32 313 A1 ist ein mit einer Debug-Einheit ausgestatteter Mikrocontroller beschrieben, wobei die Debug-Einheit Traceinformationen ausgewählter Adressen, Daten oder Steuersignale zur Überwachung der innerhalb des Mikrocontrollers ablaufenden Vorgänge ausgibt. Hierzu wird der Programmcounter oder eine Adresse, auf die gerade zugegriffen wird, auf einen bestimmten Wert hin überwacht und bei einer Abweichung der aktuelle Stand des Programmcounters und/oder die Adresse, auf die zugegriffen wird, ausgegeben.

Damit das Testsystem unter realen Systembedingungen arbeiten kann, müssen die Daten in Echtzeit über einen spezielle Datenbus, der zur Kommunikation zwischen der Debug-Einheit und dem Emulator benötigt wird, übertragen werden. Mit zunehmender Frequenz des Mikrocontrollers ist die Übertragung der Daten nicht mehr möglich, so daß das Testsystem sich anders verhält als das zu testende Produkt. Da die Debug-Einheit nur über begrenzte Speicherressourcen, d. h. über einen begrenzten Speicherbereich zur Aufzeichnung der erfaßten Ausführungsdaten verfügt, bleibt nur die Möglichkeit, die Frequenz des Zielsystems zu verringern und auf die des Testsystems abzustimmen oder den Programmablauf des Zielsystems bei einem Überlauf des Speicherbereichs anzuhalten und die aufgezeichneten Daten zu übertragen.

Der Emulator bzw. dem Emulator zugeordnete Zusatzplatinen haben weiterhin die Aufgabe, Steuersignale zur Unterbrechung des Programmablaufs, beispielsweise bei der Detektion eines Ereignisses, welches vorab durch den Benutzer programmiert wurde oder wenn der Benutzer unterbrechen möchte, an die Debug-Einheit zu versenden, um den eigentlichen Programmablauf anzuhalten und ein Debug-Programm ablaufen zu lassen. In dem Intel Architecture Software Developer's Manual Volume 3, System Programming 1999, Intel Corporation ist ein Flagregister beschrieben, welches vom Betriebssystem oder einer Applikation modifizierbar ist. Ein im Flagregister gesetztes Interrupt-Flag steuert eine Unterbrechungsanforderung und gewährt damit gleichzeitig ein Zugriffsrecht. Ein in einem Debug-Register gesetztes Tracebit generiert, beim Vorliegen einer entsprechenden Aktion wie zum Beispiel einem Sprung, oder einem Interrupt, automatisch Trace-Meldungen, die von einer Debug-Einheit mitgelesen und ausgewertet werden. Das Debug-Programm kann zu jeder Zeit des Programmablaufs durch den Benutzer gestartet werden und ermöglicht aufgrund der vorab beschriebenen Arbeitsweise der Debug-Einheit das Auslesen von Ausführungsdaten, das heißt, von abgearbeiteten Programmbefehlen und die den Programmbefehlen zugeordneten Registeradressen und Registerinhalte. Somit ist während der Ausführung des Debug-Programms auch das unerwünschte Auslesen und Auswerten der Betriebssystemdaten ermöglicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Steuerung der Unterbrechung und/oder der Aufzeichnung und Ausgabe von Ausführungsdaten von Befehlen einer Applikationen auf einem Mikrocontroller anzugeben, wobei mittels einer auf dem Mikrocontroller integrierten Debug-Einheit in Echtzeit die Ausführungsdaten gelesen und gefiltert an die Programmier-Umgebung weitergeleitet werden, um bei einer optimalen Nutzung der auf dem Mikrocontroller verfügbaren Speicherressourcen ein Debugging von Fremdprogrammen ohne Be kanntgabe geheimer Betriebssystemdaten des Kartenherstellers an den Fremdprogramm-Entwickler zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung der Unterbrechung und/oder der Aufzeichnung von Ausführungsdaten eines Programms in einem Mikrocontroller, wobei durch ein bestimmten Programmbefehlen zugeordnetes Selektionsattribut der Debug-Einheit mitgeteilt wird, ob bei einem gerade ausgeführten Programmbefehl ein Programm unterbrochen werden darf und/oder die zugehörigen Ausführungsdaten aufgezeichnet werden.

Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch einen Mikrocontroller, der zusätzlich zu den Schaltkreisen und Datenspeichern eines zu emulierenden Mikrocontrollers eine Anordnung zur Steuerung der Unterbrechung und/oder zur Aufzeichnung von Ausführungsdaten eines Programms aufweist, wobei die Anordnung eine Debug-Einheit und eine Steuerlogik enthält, und die Steuerlogik anhand eines bestimmten Programmbefehlen zugeordneten Selektionsattributs steuert, ob an der Stelle eines Programmbefehls in einem Programm der Programmablauf unterbrochen wird und/oder die Ausführungsdaten aufgezeichnet werden.

Voraussetzung für den Schutz vor der Bekanntgabe geheimer Betriebssystemdaten des Kartenherstellers ist eine Einschränkung der Eingriffsmöglichkeit der Debug-Einheit in den Programmablauf sowie die Steuerung der Ausgabe der Ausführungsdaten durch Selektion der Programmbefehle des Programms.

Durch die vorteilhafte Einführung definierter Zugriffsrechte für die Debug-Einheit auf die Adressen eines Adressraums, in dem der Programm-Code abgelegt ist, kann eine Auswahl der Ausgabe der Ausführungsdaten bestimmter Programmbefehle erfolgen. Die Zugriffsrechte können hierbei über ein oder mehrere den Programmbefehlen zugeordnete Zugriffsattribute erteilt werden, wobei über ein erstes Zugriffsattribut, das Programmbefehlen eines Programm-Codes zugeordnet ist, die Ermöglichung der Unterbrechung dieses Programm-Codes und über ein zweites, Programmbefehlen eines Programm-Codes zugeordneten Zugriffsattribut die Ermöglichung der Aufzeichnung der Ausführungsdaten dieses Programm-Codes steuerbar ist. Vorteilhafter Weise kann ein Zugriffsattribut hierbei durch ein Zugriffsbit realisiert sein, das direkt einzelnen Programmbefehlen zugeordnet ist. Es kann sich dabei z.B. aber auch um einen Adressbereich von Programmbefehlen handeln, der durch eine untere und eine obere Bereichsgrenze gekennzeichnet ist.

In einer weiteren, vorteilhaften Weise kann die Aufzeichnung der den Programmbefehlen zugeordneten Ausführungsdaten dadurch eingeschränkt werden, daß in einem Speicherbereich die zweiten Zugriffsattribute in Form einer Referenz-Tabelle von Adressen von einzelnen Programmbefehle hinterlegt sind, für die die Ausgabe der Ausführungsdaten erwünscht ist.

In einer dritten, vorteilhaften weise ist das zweite Zugriffsattribut eines Programmbefehls für die Steuerlogik genau dann logisch gesetzt, wenn das erste Zugriffsattribut für den Programmbefehl gesetzt ist und die Adresse des Programmbefehls in einer Referenz-Tabelle von Adressen von Programmbefehlen hinterlegt ist.

Sind die den Programmbefehls-Adressen zugeordneten Zugriffsattribute nicht gesetzt, kann das Programm beim Ausführen der diesen Adressen zugeordneten Programmbefehle nicht unterbrochen werden und die Ausführungsdaten durch einen Benutzer nicht ausgelesen werden.

Der Aufzeichnungsspeicher für die durch das zweite Zugriffsbit gefilterten Ausführungsdaten kann sich im Mikrocontroller oder außerhalb des zweiten Mikrocontrollers befinden.

Die erste Variante hat den Vorteil, daß der zweite Mikrocontroller wie der erste Mikrocontroller in einer Produktumgebung einsetzbar ist. Sollte der Aufzeichnungsspeicher einen bestimmten Füllzustand erreicht haben oder Programm-Entwickler ein Auslesen des Aufzeichnungsspeichers signalisieren, wird an dem nächsten Programmbefehl, dem das erste, gesetzte Zugriffsattribut zugeordnet ist, der Programmablauf durch ein Kontrollsignal unterbrochen und die Debug-Einheit im Mikrocontroller sendet daraufhin die Ausführungsdaten an die Programmier-Umgebung des Programm-Entwicklers. Die Echtzeitfähigkeit des Emulators ist jedoch dann nur zwischen solchen Unterbrechungen realisierbar, wenn die Debug-Einheit zur Steuerung des Debug-Prozesses auf die CPU des Mikrocontrollers zugreift.

Die zweite Variante hat den Vorteil, daß die Echtzeitfähigkeit des Emulators auch ohne eine zweite CPU im Mikrocontroller, die den Debug-Prozess steuern würde, nie verletzt wird, da der externe Aufzeichnungsspeicher hinreichend groß gewählt werden kann.

In jedem Fall werden nicht alle Ausführungsdaten aufgezeichnet bzw. ausgegeben, sondern nur die den Programmbefehlen zugeordneten, für die das zweite Zugriffsattribut gesetzt ist.

Anforderungen, eine Programm-Unterbrechung auszuführen, werden von der Steuerlogik nur dann ausgeführt, wenn dem Programm-Befehl, an dem das Programm unterbrochen werden soll, ein gesetztes erstes Zugriffsattribut zugeordnet ist.

Vorteilhafter Weise enthält der zweite Mikrocontroller eine Liste von Befehlsadressen, die von der Debug-Einheit verwaltet wird und die Programm-Adressen speichert, an denen der Programm-Entwickler eine Unterbrechung des Programms wünscht. Vorteilhafter Weise speichert die Debug-Einheit nur solche Adressen in der Liste von Befehlsadressen, für die die Debug- Einheit überprüft hat, daß das zweite Zugriffsattribut für die Adressen gesetzt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der nachfolgenden 1 näher erläutert.

Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikrocontrollers.
Die 1 zeigt ein Auführungsbeispiel eines Mikrocontrollers 1 mit einer Anordnung zur Steuerung der Unterbrechung und/oder der Aufzeichnung von Ausführungsdaten eines Programms. Der Mikrocontroller 1 emmuliert in seiner Funktion als Test- und Systemumgebung ein Zielsystem, um unter Systembedingungen den Programmablauf einer zu entwickelnden Applikation zu testen. Im Mikrocontroller 1 sind deshalb die Komponenten des Zielsystems 2, wie beispielsweise eine logische Schaltung 21, Speicher 22, Interrupt-Steuerung 24 und I/O-Interface 23 integriert. Neben dem Zielsystem 2 weist der Mikrocontroller 1 weiterhin eine Debug-Einheit 3, einen Aufzeichnungsspeicher 4 und eine Steuerlogik 5 auf. Die logische Schaltung 21, der Speicher 22 und das I/O-Interface 23 des Zielsystems 2 sind über eine Datenleitung 2S mit der Debug-Einheit 3, dem Aufzeichnungsspeicher 4 und der Steuerlogik 5 verbunden. Die Debug-Einheit setzt sich aus Hard- und Software zusammen und hat die Aufgabe, über die Datenleitung 26 die Ausführungsdaten des Programms in Echtzeit auszulesen und über eine Schnittstelle 7 an ein zur Programmoptimierung vorgesehenes System 9 weiterzuleiten.
Damit die Debug-Einheit keine geheimen Betriebssystemdaten ausgeben kann, steuert die Steuerlogik 5 anhand eines bestimmten Programmbefehlen zugeordneten Selektionsattributs, ob an der Stelle eines Programmbefehls in einem Programm der Programmablauf unterbrochen wird und/oder die Ausführungsda ten aufgezeichnet werden können. Die Selektionsattribute definieren Zugriffsrechte für die Debug-Einheit 3 auf die Adressen eines Adressraums, so daß eine Auswahl der Ausgabe der Ausführungsdaten bestimmter Programmbefehle erfolgen kann. Dabei ermöglicht ein erstes und gesetztes, einem Programmbefehl zugeordnetes Zugriffsbit die Unterbrechung des Programm-Codes und ein zweites und gesetztes, einem Programmbefehl zugeordnetes Zugriffsbit die Aufzeichnung der Ausführungsdaten in dem Aufzeichnungsspeicher 4. Die Aufzeichnung der Ausführungsdaten kann weiterhin eingeschränkt werden, indem das zweite Zugriffsbit in Form einer Referenz-Tabelle 6, die Adressen von Programmbefehlen aufweist, hinterlegt wird und die Debug-Einheit 3 nur die Ausführungsdaten der in dieser Tabelle 6 hinterlegten Adressen aufzeichnet.
Der erfindungsgemäße Mikrocontroller und das vorgeschlagene Verfahren stellen sicher, daß nur für den Fall, daß dem Programmbefehl, an dem das Programm unterbrochen werden soll, ein gesetztes erstes Zugriffsbit zugeordnet ist, eine durch die Steuerlogik 5 durchgeführte Programm-Unterbrechung erfolgt. Es ist auch sichergestellt, daß nur diejenigen Ausführungsdaten aufgezeichnet werden, bei denen die den Programmbefehlen zugeordneten zweiten Zugriffsbits gesetzt sind.

1: Mikrocontroller
2: Zielsystem
3: Debug-Einheit
4: Aufzeichnungsspeicher
5: Steuerlogik
6: Referenz-Tabelle
7: Schnittstelle
8: Datenleitung
9: System
21: logische Schaltung
22: Speicher
23: I/O-Interface
24: Interrupt-Schaltung
25: Datenleitung
26: Datenleitung

Claims

Mikrocontroller (1), der zusätzlich zu den Schaltkreisen und Datenspeichern eines zu emulierenden Mikrocontrollers (2) eine Anordnung zur Steuerung der Unterbrechung und zur Aufzeichnung von Ausführungsdaten eines Programms aufweist, wobei die Anordnung eine Debug-Einheit (3) und eine Steuerlogik (5) aufweist, die anhand eines bestimmten Programmbefehlen zugeordneten Selektionsattributs, welches durch ein erstes Zugriffsattribut, das die Unterbrechung des Programms erlaubt, und durch ein weiteres Zugriffsattribut, das die Aufzeichnung der Ausführungsdaten erlaubt, gebildet ist und definierte Zugriffsrechte der Debug-Einheit (3) auf Adressen eines Adressraums, in dem das Programm abgelegt ist, festlegt, steuert, dass die Debug-Einheit (3): – ein Programm nur unterbrechen kann, wenn das erste Zugriffsattribut gesetzt ist, – die Ausführungsdaten nur aufzeichnen kann, wenn das weitere Zugriffsattribut gesetzt ist, oder – ein Programm unterbrechen und die Ausführungsdaten aufzeichnen kann, wenn das erste und das weitere Zugriffsattribut gesetzt sind.
Mikrokontroller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocontroller (1) einen Aufzeichnungsspeicher (4), zur Aufzeichnung der Ausführungsdaten, aufweist.
Mikrokontroller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Debug-Einheit (3) eine standardisierte Schnittstelle (7) aufweist, über die die Ausgabe der gespeicherten Ausführungsdaten erfolgt.
Verfahren zur Steuerung der Unterbrechung und/oder der Aufzeichnung von Ausführungsdaten eines Programms in einem Mikrocontroller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei – ein bestimmten Programmbefehlen zugeordnetes Selektionsattribut definierte Zugriffsrechte einer Debug-Einheit (3) auf Adressen eines Adressraums, in dem das Programm abgelegt ist, festlegt, – das Selektionsattribut durch ein erstes Zugriffsattribut, das die Unterbrechung des Programms erlaubt, und durch ein weiteres Zugriffsattribut, das die Aufzeichnung der Ausführungsdaten erlaubt, bestimmt ist, und – die Debug-Einheit (3) ein Programm in Abhängigkeit der zugeordneten Zugriffsattribute unterbrechen und die Ausführungsdaten aufzeichnen kann.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Adressen des Adressraums zugeordneten Zugriffsrechte durch Bereichsgrenzen in einer Adressbereichstabelle, für die die Zugriffsattribute gültig sind, gesteuert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Zugriffsattribut zur Berechtigung der Aufzeichnung der den Programmbefehlen zugeordneten Ausführungsdaten über eine in einem Speicherbereich hinterlegte Referenz-Tabelle (6) von Adressen von Programmbefehlen realisiert sind, zur Einschränkung der Aufzeichnung der Ausführungsdaten.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Debug-Unterbrechung zur Ausgabe der aufgezeichneten Ausführungsdaten durch ein Kontrollsignal der Debug-Einheit (3) ausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontrollsignal bei einem bestimmten Füllstand eines Aufzeichnungsspeichers (4), der die Ausführungsdaten aufzeichnet, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontrollsignal bei einer entsprechenden Eingabe durch einen Benutzer erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabe der gespeicherten Ausführungsdaten nach außen über eine standardisierte Schnittstelle (7) erfolgt.