semihost/ITM机制浅析以及使用JLINK通过ITM调试stm32单片机

semihost/ITM机制浅析以及使用JLINK通过ITM调试stm32单片机

2012-11-22 22:12:43

<允许自由转载，必须包含作者信息>
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作者：prife
感谢：[email protected]
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使用ITM机制实现调试stm32单片机，实现printf与scanf。

1. ITM简介
ITM机制是一种调试机制，是新一代调试方式，在这之前，有一种比较出名的调试方式，称为半主机（semihosting）方式。

在pc上编写过C语言的人都知道，printf可以向控制台输出，scanf可以从控制台获取输入，这里的printf/scanf都是标准库函数，利用操作系统的这些函数，我们可以很方便的调试程序。在嵌入式设备上（如stm32单片机平台上）开发工具（如MDK/IAR）也都提供了标准库函，自然也提供了printf/scanf函数，那么这些函数是否可以使用呢？ 问题来了，printf向哪里输出呢？并且大部分情况下，也没有键盘，又如何使用scanf实现输入呢？

我们都知道，嵌入式设备一般的使用仿真器，如常见Jlink/ulink，可以实现烧录，单步，下断点，查看变量，等等。仿真器将PC机和单片机连接器来。聪明的设计者们就在考虑是否可以借助仿真器，使得单片机可以借助PC机的屏幕以及PC机的键盘实现printf的输出和scanf的按键获取。
也就是说，如下的hello，world程序
#include <stdio.h>
int main()
{
        //硬件初始化
        //....
        printf("hello, world");
        for(;;);
}
这个程序烧录到单片机中后，仿真器连接接单片机与PC，开始在线调试后，那么这个程序会将"Hello, world"输出到PC机上，在开发工具（MDK/IAR等）的某个窗口中显示。

这就相当于，单片机借助了PC机的显示/输入设备实现了自己的输出/输入。这种方式无疑可以方便程序开发者调试。

这种机制有多种实现方式，比较著名的就是semihosting（半主机机制）和ITM机制。
ITM是ARM在推出semihosting之后推出的新一代调试机制。现在我们来尝试一下这种方式调试。

2. stm32使用ITM调试
MCU：stm32f207VG
仿真器：Jlink V8
IDE：MDK4.50

2.1 硬件连接
ITM机制要求使用SWD方式接口，并需要连接SWO线，一般的四线SWD方式（VCC SDCLK，SDIO，GND）是不行的。标准的20针JTAG接口是可以的，只需要在MDK里设置使用SWD接口即可。

2.2 添加重定向文件
将下面的文件保存成任意C文件，并添加到工程中。这里对这个文件简单说明一下，要知道我们的程序是在单片机上运行的，为什么printf可以输出到MDK窗口里去呢？这是因为 标准库中的printf实际上调用 fputc实现输出，所以我们需要自己编写一个fputc函数，这个函数会借助ITM（类似于USART）提供的寄存器，实现数据的发送，仿真器会收到这些数据，并发往PC机。

实际上，如果你的单片机和一块LCD连接，那么你只需要重新实现fputc函数，并向LCD上输出即可，那么你调用printf时就会输出到LCD上了。这中机制，就是所谓的重定向机制。

#include <stdio.h>

#define ITM_Port8(n) (*((volatile unsigned char *)(0xE0000000+4*n)))
#define ITM_Port16(n) (*((volatile unsigned short*)(0xE0000000+4*n)))
#define ITM_Port32(n) (*((volatile unsigned long *)(0xE0000000+4*n)))
#define DEMCR (*((volatile unsigned long *)(0xE000EDFC)))
#define TRCENA 0x01000000

struct __FILE { int handle; /* Add whatever you need here */ };
    FILE __stdout;
    FILE __stdin;
    
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    if (DEMCR & TRCENA)
    {
        while (ITM_Port32(0) == 0);
        ITM_Port8(0) = ch;
    }
    return(ch);
}

2.2 配置JLINK的初始化配置文件

将下面文件放置在你的工程下，并取任意名称，这里笔者取名为 STM32DBG.ini

/******************************************************************************/
/* STM32DBG.INI: STM32 Debugger Initialization File */
/******************************************************************************/
// <<< Use Configuration Wizard in Context Menu >>> //
/******************************************************************************/
/* This file is part of the uVision/ARM development tools. */
/* Copyright (c) 2005-2007 Keil Software. All rights reserved. */
/* This software may only be used under the terms of a valid, current, */
/* end user licence from KEIL for a compatible version of KEIL software */
/* development tools. Nothing else gives you the right to use this software. */
/******************************************************************************/


FUNC void DebugSetup (void) {
// <h> Debug MCU Configuration
// <o1.0> DBG_SLEEP <i> Debug Sleep Mode
// <o1.1> DBG_STOP <i> Debug Stop Mode
// <o1.2> DBG_STANDBY <i> Debug Standby Mode
// <o1.5> TRACE_IOEN <i> Trace I/O Enable
// <o1.6..7> TRACE_MODE <i> Trace Mode
// <0=> Asynchronous
// <1=> Synchronous: TRACEDATA Size 1
// <2=> Synchronous: TRACEDATA Size 2
// <3=> Synchronous: TRACEDATA Size 4
// <o1.8> DBG_IWDG_STOP <i> Independant Watchdog Stopped when Core is halted
// <o1.9> DBG_WWDG_STOP <i> Window Watchdog Stopped when Core is halted
// <o1.10> DBG_TIM1_STOP <i> Timer 1 Stopped when Core is halted
// <o1.11> DBG_TIM2_STOP <i> Timer 2 Stopped when Core is halted
// <o1.12> DBG_TIM3_STOP <i> Timer 3 Stopped when Core is halted
// <o1.13> DBG_TIM4_STOP <i> Timer 4 Stopped when Core is halted
// <o1.14> DBG_CAN_STOP <i> CAN Stopped when Core is halted
// </h>
_WDWORD(0xE0042004, 0x00000027); // DBGMCU_CR
_WDWORD(0xE000ED08, 0x20000000); // Setup Vector Table Offset Register
}

DebugSetup(); // Debugger Setup

这里对这个文件做简单的解释，
_WDWORD(0xE0042004, 0x00000027); // DBGMCU_CR
这一句表示想 0xE0042004地址处写入 0x000000027，这个寄存器是各个位表示的含义在注释中给出了详细的解释。 0x27即表示
        BIT0 DBG_SLEEP
        BIT1 DBG_STOP
        BIT2 DBG_STANDBY
        BIT5 TRACE_IOEN
注意，要使用ITM机制，必须要打开BIT5。

打开MDK工程，按照下图修改。

2.3 MDK中对JLINK的配置

下图中注意两点
1). 这里的CoreClock是120M，因为笔者使用的是stm32F207VG这款芯片，并且时钟配置为120M，所以这里填入120M，如果你使用stm32F10x，时钟配置成72M，那么这里需要填入72M。即需要跟实际情况保持一致。
2). 最后一定要将 0处打勾，并将其他bit位上的勾去掉，最好与此图保持一致，除CoreClock外。

2.4 烧录程序，并启动调试。可以看到，笔者在程序源码中插入了一句printf语句输出，然后按照下图，就可以看到程序的输出了。

3. 综合版本使用scanf和printf
3.1 添加retarget文件
将如下代码保存成retarget.c，然后加入到工程中。
#pragma import(__use_no_semihosting_swi)

struct __FILE { int handle; /* Add whatever you need here */ };
    FILE __stdout;
    FILE __stdin;
    
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    return ITM_SendChar(ch);
}

volatile int32_t ITM_RxBuffer;
int fgetc(FILE *f)
{
  while (ITM_CheckChar() != 1) __NOP();
  return (ITM_ReceiveChar());
}

int ferror(FILE *f)
{
    /* Your implementation of ferror */
    return EOF;
}

void _ttywrch(int c)
{
    fputc(c, 0);
}

int __backspace()
{
    return 0;
}
void _sys_exit(int return_code)
{
label:
    goto label; /* endless loop */
}
3.2 编译运行
编译，烧录，运行，打开Debug (printf) viewer，就可以看到输入，参看下图

这里对retarget.c文件做几点说明.
1). 上面的代码实际是在X:\Keil\ARM\Startup\Retarget.c上修改而成的，scanf依赖的函数共有两个，fgetc和__backspace都需要实现，如果缺少__backespace函数，则scanf胡无法从Debug Viewer Dialog 窗口获取输入。另外上面提供的代码只是个demo，用于演示效果，用于生产时应该处理的更完善一些。见参考文献[1]

2). 函数ITM_SendChar，ITM_CheckChar，ITM_ReceiveChar在库文件CMSIS\Include\core_cm3.h中。

3) 查看函数的符号引用关系，可以通过生成详细的map文件来查看。命令行增加 --verbose --list rtt.map选项即可生成名为rtt.map的文件。

4. ITM与RTT结合(待实现)
grissiom 写道:
忽然想到，或许可以把这个半主机做成 device，然后 rt_console_set_device("semi") 就可以直接用半主机做 finsh/rt_kprintf 了…… 不知可行不可行……

prife: ITM的接收不知道是否支持中断，目前接收字符使用是轮询方式。如果是中断才有意义。这样可以把ITM设备做成一个 rtt 的device了，让finsh跑在 Debug printf Viewer窗口上。以后只要接一个jtag/SWD口就可以调试了，不用再接串口线了


参考文献
[1] MDK help. Indirect semihosting C library function dependencies
[2] MDK help ARM Development Tools.
         Debugger Adapter User's Guides
             J-Link/J-Trace User's Guide
         Libraries and Floating Point Support Referencee
         Libraries and Floating Point Support Guide
         Linker Reference Guide