嵌入式软件的调试工具

前言

当我们学习嵌入式软件的调试时，经常会听到一些名词，比如JTAG、SWD、SWIM、ST-Link、JLink、DAP-Link、OpenOCD、GDB。那么这些名词所代表的事物之间到底有什么联系又有哪些差别呢？本文对此做一个简单的梳理和总结，以便后来者可以节省一些没必要花的时间。

1 调试接口

使用GDB调试时，我们可以灵活的控制芯片的行为，比如断点、单步执行、读写内存、烧写Flash等。这些当然不只是软件层面的事情，这一切的实现都离不开硬件也就是芯片级的支持。芯片的核心往往都带有一个调试模块，所有GDB的命令最终都要落实到调试模块，由调试模块最终去控制芯片执行相应的动作。调试接口则是指调试模块对外提供的接口，这是与调试模块通信的物理基础。

当前，芯片种类繁多，如果不同的芯片采用不一样的调试模块，且对外给出不同的调试接口，那么就非常不利用调试器的通用化。我们当然希望一个调试器可以调试多种芯片，这样比较方便也节省成本。为了达到这一目标，一些标准组织就制定了调试接口（包括协议）的规范。当前的一些调试接口有:

• JATG

  JTAG实在是非常知名了，相信大部分人都不陌生。IEEE 1149.1兼容，很多芯片都支持JTAG，比如arm系列、一些dsp、FPGA等。
  

• SWD

  SWD接口非常简单，且在高速模式下比JTAG更为可靠，使用也非常广泛。
  

  • SWIM

  SWIM接口只需要一根传输线即可完成双向的数据传输。传输时由主控制端发起，设备端响应。典型的主从结构，单总线设计。STM8系列单片机带有这个接口，不清楚还有哪些芯片用到了它。引脚定义如下:

  引脚	功能(连线)
  VDD(应该叫Vref)	连接STM8目标板的VCC
  DATA	连接STM8目标板的SWIM pin
  GND	连接STM8目标板的GND
  RESET	连接STM8目标板的RESET pin

对上述内容做两点补充:

1. 关于JTAG/SWD的1脚VCC、SWIM中VDD引脚，都是输入用的，用于捕获目标板的参考电压，以便输出正确的高电平，这么做是因为有些目标板高电平为5V，而有些为3.3V，当然也可能有其它电平。因此这些引脚实际上叫Vref更为合适。不要误以为这些引脚是供电用的，JTAG/SWD确实可以设置对外供电，供电引脚为2脚，真正的VCC，但个人不建议拿调试器供电。有一些盗版的调试器并没有很好的区分1、2两个脚，实际使用时需要注意。
2. 有一些人把RDI接口(Remote Debug Interface)和JTAG等接口混为一谈，这俩就不是一个层面的。RDI由ARM提出，是用来统一各个IDE使用的调试接口，是软件上的一层抽象，其底层会调调试器的驱动，数据走电脑的USB口经调试器转换为调试接口的电信号，送到芯片的调试模块，更多信息可参考此处。关于调试器，见第2节。

2 调试器(适配器)

虽然芯片那边有了调试接口，但我们电脑上是没有的，电脑上常用的接口是USB。因此，我们想和芯片的调试模块通信，还需要一个adapter，来完成USB<==>调试接口。既然有了这个需求，那么调试器（ 本质是适配器）就应运而生了:

• JLink

  USB<==>JTAG/SWD

  老版本仅支持JTAG，v6开始支持SWD。

• ST-Link

  USB<==>JTAG/SWD/SWIM

  主要用于STM系列。

• DAP-Link

  USB<==>JTAG/SWD

  特点是速度比较快，主要用于arm cortex内核。

• U-Link

  USB<==>JATG/SWD

  专用于keil(被ARM收购)

• EasyJTAG

  USB<==>JTAG

  不甚了解。

3 OpenOCD与GDB

现在有很多IDE集成了调试功能，可以很方便的和调试器配合使用，比如keil、IAR等。它们虽然好用，但有一个缺点就是要钱。假如我不使用这些IDE，那还能不能调试呢？理论上当然是可以的，只要我们在调试器厂家提供的驱动的基础上，实现GDB server，调试时调用调试器的驱动发送调试数据到芯片的调试模块。

但是，市面上的调试器和芯片有很多种，这一组合就更多了，每次都要自己从底层做起来，不太好，毕竟我们关注的还是项目本身，调试只是项目开发过程中的一个需要。因此我们会产生这样一个期待:

有一个开源免费的软件，它可以去处理好各种调试器和芯片的差异，并提供GDB server，然后开发者直接把它当主机上的工具使用就好。

这样一个开源软件是存在的，它就是OpenOCD。实际上，OpenOCD不仅会提供GDB server，还会提供telnet server。功能强大，且支持的芯片和调试器的种类多。非常感谢OpenOCD开发者的贡献，他们的工作让世界更美好！OpenOCD有着以下的特性（更多OpenOCD的入门知识可参考此处）:

• 开源免费
• 支持的芯片和debug adapter众多
• 使用命令行交互
• 支持Windows、Linux

当我运行诸如arm-linux-gdb这样的主机程序时，实际上是起了一个GDB client，client读入elf文件，并连接GDB server来完成调试工作，所用端口号为3333。于此同时，telnet client连接telnet server使用的端口号为4444。

总结

文字总是太抽象了，用一幅图来概括吧:

再补充一副图，图片来自跟我一起学OpenOCD(一)：