ARM学习（22）断点认识以及调试

笔者来聊聊断点以及断点的调试

1、断点原理

断电的原理一般分为两种，插入断点指令或者利用硬件调试寄存器进行断点。

• 前者程序如果在RAM（SRAM、DDR）上，则调试器可以直接在断点地址处插入断点指令，例如BKPT（ARM）、HLT指令（x86），程序则可暂停，后续可以单步运行等操作。
• 后者程序如果在ROM/Flash运行，调试器无法改写ROM或者Flash的内容，需要利用硬件支持的寄存器特性去进行调试。

Cortex-M3/4，利用Flash补丁或者断点单元（FPB）中的地址比较器进行设置断点，还有多个调试寄存器辅助调试，例如暂停、获取寄存器数据以及传递数据等。例如一个调试控制寄存器如下：

• 支持暂停内核
• 单步运行处理器
• 单步时屏蔽中断
• 读写状态等
• …
  调试访问的主要架构（CoreSight）如下所示：以CortexM3为例，

• DP（Debug Port）：调试端口，SWD下面称为SW-DP，JTAG下面称为JTAG-DP，将调试协议转为内部调试总线协议（32位的总线协议，与AMBA3.0规范中的高级外设总线APB非常类似）。
• AP（Acess Port）：访问端口，有AHB-AP模块，可以将内部调试总线协议转成高速性能总线，可以获取所有存储器、外设以及处理器内部的寄存器等数据。

接着来看一下SWD和Jtag链接时，扫描出的DP和AP端口。

SWD 链接时扫描DP和AP端口

 - Found SW-DP with ID 0x1BA01477
 - DPIDR: 0x1BA01477
 - Scanning AP map to find all available APs
 - AP[1]: Stopped AP scan as end of AP map has been reached
 - AP[0]: AHB-AP (IDR: 0x14770011)
 - Iterating through AP map to find AHB-AP to use
 - AP[0]: Core found
 - AP[0]: AHB-AP ROM base: 0xE00FF000
 - CPUID register: 0x411FC231. Implementer code: 0x41 (ARM)
 - Found Cortex-M3 r1p1, Little endian.

JTAG 链接时扫描DP和AP端口，支持菊花链，多个被调试主控串联起来。

 - TotalIRLen = 9, IRPrint = 0x0011
 - JTAG chain detection found 2 devices:
 -  #0 Id: 0x3BA00477, IRLen: 04, CoreSight JTAG-DP
 -  #1 Id: 0x06414041, IRLen: 05, STM32 Boundary Scan
 - DPv0 detected
 - Scanning AP map to find all available APs
 - AP[1]: Stopped AP scan as end of AP map has been reached
 - AP[0]: AHB-AP (IDR: 0x14770011)
 - Iterating through AP map to find AHB-AP to use
 - AP[0]: Core found
 - AP[0]: AHB-AP ROM base: 0xE00FF000
 - CPUID register: 0x411FC231. Implementer code: 0x41 (ARM)
 - Found Cortex-M3 r1p1, Little endian.

2、断点分类

2.1、实现原理分类

• 硬件断点：
  • 与芯片架构内核相关，调试器需要设置对应的断点寄存器
  • 应用于Flash、ROM以及RAM等区域
  • 数量有限
    
    CortexM3-M4的很多芯片比如STM32F1 F4都是Flash执行代码，所以只能设置onchip断点，且只有6个，多了会报错。
    

• 软件断点：

  • 调试器利用断点指令，在断点地址处插入断点指令
  • 在RAM（RAM、TCM以及DDR）等区域，
  • 断点数量无限
    

• ETM断点：

  • ARM部分芯片特有，CortexM系列没有
  • 设置ARM Coresight ETM寄存器来实现
  • 数量有限
    

2.2、使用场景分类

• 程序断点

  • 程序运行到指定位置，则停止CPU
  • 可以是软件断点或者硬件断点
    

• 读写断点

  • 只能是硬件断点
  • 指定内存/变量，发生读写行为时，停下CPU
    

• 数据断点

  • 只能是硬件断点，
  • 指定内存/变量发生读写指定值时，停下CPU
  • 和读写断点，类似，只不过加了更细节的条件
    

• 高级断点

  • 只能是硬件断点
  • 增加了更细节的条件，满足一定条件后停止，比如read 10次之后停止，又比如，当变量值>某个值时，然后停止。
    

2.3、对CPU的影响分类

• 侵入式断点
  • 对CPU执行有影响，不断停下CPU，对相应的值或者条件判断，
• 非侵入式断点
  • 对CPU执行没有影响，
    

3、断点调试

• 方法一：双击程序所在行即可设置对应的行断点

• 方法二：利用symbol符号进行设置断点
  

• 方法三：利用窗口进行设置：
  

• 命令行设置：b.set addr/addr-range/name /options 后面可以跟地址、地址范、symbol名字以及选项

  • b.set 0x1000005FC 在0x1000005FC 地址处设置断点
  • b.set mstatic1 /readwrite 读写 mstatic1 该变量时，停止运行
  • b.set mstatic1 /write /DATA.Long 0xC 当变量mstatic1 写成0xC时，停止运行
  • b.set mstatic1 /Write /COUNT 10 当变量mstatic1被循环写10次之后，停止运行
  • b.set mstatic1 /Write /VarCONDition mstatic1>0xC 当变量mstatic1大于0xC时，停止断点
    

4、参考以及附录

Trace32 官方文档：5 断点.pdf
SWD 链接的打印完整log。

Connecting ...
 - Connecting via USB to probe/ programmer device 0
 - Probe/ Programmer firmware: J-Link V9 compiled May  7 2021 16:26:12
 - Device "STM32F105RC" selected.
 - Target interface speed: 4000 kHz (Fixed)
 - VTarget = 3.372V
 - InitTarget() start
 - InitTarget() end
 - Found SW-DP with ID 0x1BA01477
 - DPIDR: 0x1BA01477
 - Scanning AP map to find all available APs
 - AP[1]: Stopped AP scan as end of AP map has been reached
 - AP[0]: AHB-AP (IDR: 0x14770011)
 - Iterating through AP map to find AHB-AP to use
 - AP[0]: Core found
 - AP[0]: AHB-AP ROM base: 0xE00FF000
 - CPUID register: 0x411FC231. Implementer code: 0x41 (ARM)
 - Found Cortex-M3 r1p1, Little endian.
 - FPUnit: 6 code (BP) slots and 2 literal slots
 - CoreSight components:
 - ROMTbl[0] @ E00FF000
 - ROMTbl[0][0]: E000E000, CID: B105E00D, PID: 001BB000 SCS
 - ROMTbl[0][1]: E0001000, CID: B105E00D, PID: 001BB002 DWT
 - ROMTbl[0][2]: E0002000, CID: B105E00D, PID: 000BB003 FPB
 - ROMTbl[0][3]: E0000000, CID: B105E00D, PID: 001BB001 ITM
 - ROMTbl[0][4]: E0040000, CID: B105900D, PID: 001BB923 TPIU-Lite
 - ROMTbl[0][5]: E0041000, CID: B105900D, PID: 101BB924 ETM-M3
 - Executing init sequence ...
  - Initialized successfully
 - Target interface speed: 4000 kHz (Fixed)
 - Found 1 JTAG device. Core ID: 0x1BA01477 (None)
 - Connected successfully

JTag 链接的打印完整log。

Connecting ...
 - Connecting via USB to probe/ programmer device 0
 - Probe/ Programmer firmware: J-Link ARM V8 compiled Nov 28 2014 13:44:46
 - Device "STM32F103RC" selected.
 - Target interface speed: 4000 kHz (Fixed)
 - VTarget = 3.338V
 - InitTarget() start
 - TotalIRLen = 9, IRPrint = 0x0011
 - JTAG chain detection found 2 devices:
 -  #0 Id: 0x3BA00477, IRLen: 04, CoreSight JTAG-DP
 -  #1 Id: 0x06414041, IRLen: 05, STM32 Boundary Scan
 - InitTarget() end
 - TotalIRLen = 9, IRPrint = 0x0011
 - JTAG chain detection found 2 devices:
 -  #0 Id: 0x3BA00477, IRLen: 04, CoreSight JTAG-DP
 -  #1 Id: 0x06414041, IRLen: 05, STM32 Boundary Scan
 - DPv0 detected
 - Scanning AP map to find all available APs
 - AP[1]: Stopped AP scan as end of AP map has been reached
 - AP[0]: AHB-AP (IDR: 0x14770011)
 - Iterating through AP map to find AHB-AP to use
 - AP[0]: Core found
 - AP[0]: AHB-AP ROM base: 0xE00FF000
 - CPUID register: 0x411FC231. Implementer code: 0x41 (ARM)
 - Found Cortex-M3 r1p1, Little endian.
 - FPUnit: 6 code (BP) slots and 2 literal slots
 - CoreSight components:
 - ROMTbl[0] @ E00FF000
 - ROMTbl[0][0]: E000E000, CID: B105E00D, PID: 001BB000 SCS
 - ROMTbl[0][1]: E0001000, CID: B105E00D, PID: 001BB002 DWT
 - ROMTbl[0][2]: E0002000, CID: B105E00D, PID: 000BB003 FPB
 - ROMTbl[0][3]: E0000000, CID: B105E00D, PID: 001BB001 ITM
 - ROMTbl[0][4]: E0040000, CID: B105900D, PID: 001BB923 TPIU-Lite
 - ROMTbl[0][5]: E0041000, CID: B105900D, PID: 101BB924 ETM-M3
 - Executing init sequence ...
  - Initialized successfully
 - Target interface speed: 4000 kHz (Fixed)
 - Found 2 JTAG devices. Core ID: 0x3BA00477 (None)
 - Connected successfully