2019年03月09日 | 使用ITM机制实现调试stm32单片机

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

1. #include 

2. int main()  

3. {  

4.         //硬件初始化  

5.         //....  

6.         printf("hello, world");  

7.         for(;;);  

8. }  

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。

1. #include 

2.   

3. #define ITM_Port8(n)    (*((volatile unsigned char *)(0xE0000000+4*n)))  

4. #define ITM_Port16(n)   (*((volatile unsigned short*)(0xE0000000+4*n)))  

5. #define ITM_Port32(n)   (*((volatile unsigned long *)(0xE0000000+4*n)))  

6. #define DEMCR           (*((volatile unsigned long *)(0xE000EDFC)))  

7. #define TRCENA          0x01000000  

8.   

9. struct __FILE { int handle; /* Add whatever you need here */ };  

10.     FILE __stdout;  

11.     FILE __stdin;  

12.       

13. int fputc(int ch, FILE *f)   

14. {  

15.     if (DEMCR & TRCENA)   

16.     {  

17.         while (ITM_Port32(0) == 0);  

18.         ITM_Port8(0) = ch;  

19.     }  

20.     return(ch);  

21. }  

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
 

1. /******************************************************************************/  

2. /* STM32DBG.INI: STM32 Debugger Initialization File                           */  

3. /******************************************************************************/  

4. // <<

5. /******************************************************************************/  

6. /* This file is part of the uVision/ARM development tools.                    */  

7. /* Copyright (c) 2005-2007 Keil Software. All rights reserved.                */  

8. /* This software may only be used under the terms of a valid, current,        */  

9. /* end user licence from KEIL for a compatible version of KEIL software       */  

10. /* development tools. Nothing else gives you the right to use this software.  */  

11. /******************************************************************************/  

12.   

13.   

14. FUNC void DebugSetup (void) {  

15. // 

16. //   

17. //   

18. //   

19. //   

20. //   

21. //             

22. //             

23. //             

24. //             

25. //   

26. //   

27. //   

28. //   

29. //   

30. //   

31. //   

32. //   

33. _WDWORD(0xE0042004, 0x00000027);  // DBGMCU_CR  

34. _WDWORD(0xE000ED08, 0x20000000);   // Setup Vector Table Offset Register  

35. }  

36.   

37. 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。

[cpp] view plain copy

1. #pragma import(__use_no_semihosting_swi)  

2.   

3. struct __FILE { int handle; /* Add whatever you need here */ };  

4.     FILE __stdout;  

5.     FILE __stdin;  

6.       

7. int fputc(int ch, FILE *f)   

8. {  

9.     return ITM_SendChar(ch);  

10. }  

11.   

12. volatile int32_t ITM_RxBuffer;  

13. int fgetc(FILE *f)  

14. {  

15.   while (ITM_CheckChar() != 1) __NOP();  

16.   return (ITM_ReceiveChar());  

17. }  

18.   

19. int ferror(FILE *f)  

20. {  

21.     /* Your implementation of ferror */  

22.     return EOF;  

23. }  

24.   

25. void _ttywrch(int c)  

26. {  

27.     fputc(c, 0);  

28. }  

29.   

30. int __backspace()  

31. {  

32.     return 0;  

33. }  

34. void _sys_exit(int return_code)  

35. {  

36. label:  

37.     goto label;  /* endless loop */  

38. }  

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 Guid