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      1. 專注電子技術學習與研究
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        semihost/ITM機制淺析以及使用JLINK通過ITM調試stm32單片機

        作者:huqin   來源:本站原創   點擊數:  更新時間:2014年03月03日   【字體:

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        作者:prife
        感謝:hexlog@gmail.com
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        使用ITM機制實現調試stm32單片機,實現printf與scanf。

        1. ITM簡介
        ITM機制是一種調試機制,是新一代調試方式,在這之前,有一種比較出名的調試方式,稱為半主機(semihosting)方式。

        在 pc上編寫過C語言的人都知道,printf可以向控制臺輸出,scanf可以從控制臺獲取輸入,這里的printf/scanf都是標準庫函數,利用操作系統的這些函數,我們可以很方便的調試程序。在嵌入式設備上(如stm32單片機平臺上)開發工具(如MDK/IAR)也都提供了標準庫函,自然也提供了printf/scanf函數,那么這些函數是否可以使用呢? 問題來了,printf向哪里輸出呢?并且大部分情況下,也沒有鍵盤,又如何使用scanf實現輸入呢?

        我們都知道,嵌入式設備一般的使用仿真器,如常見Jlink/ulink,可以實現燒錄,單步,下斷點,查看變量,等等。仿真器將PC機和單片機連接器來。聰明的設計者們就在考慮是否可以借助仿真器,使得單片機可以借助PC機的屏幕以及PC機的鍵盤實現printf的輸出和scanf的按鍵獲取。
        也就是說,如下的hello,world程序
        #include <stdio.h>
        int main()
        {
                //硬件初始化
                //....
                printf("hello, world");
                for(;;);
        }
        這個程序燒錄到單片機中后,仿真器連接接單片機與PC,開始在線調試后,那么這個程序會將"Hello, world"輸出到PC機上,在開發工具(MDK/IAR等)的某個窗口中顯示。

        這就相當于,單片機借助了PC機的顯示/輸入設備實現了自己的輸出/輸入。這種方式無疑可以方便程序開發者調試。

        這種機制有多種實現方式,比較著名的就是semihosting(半主機機制)和ITM機制。
        ITM是ARM在推出semihosting之后推出的新一代調試機制,F在我們來嘗試一下這種方式調試。

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

        2.1 硬件連接
        ITM機制要求使用SWD方式接口,并需要連接SWO線,一般的四線SWD方式(VCC SDCLK,SDIO,GND)是不行的。標準的20針JTAG接口是可以的,只需要在MDK里設置使用SWD接口即可。

        2.2 添加重定向文件
        將下面的文件保存成任意C文件,并添加到工程中。這里對這個文件簡單說明一下,要知道我們的程序是在單片機上運行的,為什么printf可以輸出到MDK窗口里去呢?這是因為 標準庫中的printf實際上調用 fputc實現輸出,所以我們需要自己編寫一個fputc函數,這個函數會借助ITM(類似于USART)提供的寄存器,實現數據的發送,仿真器會收到這些數據,并發往PC機。

        實際上,如果你的單片機和一塊LCD連接,那么你只需要重新實現fputc函數,并向LCD上輸出即可,那么你調用printf時就會輸出到LCD上了。這中機制,就是所謂的重定向機制。

        #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

        將下面文件放置在你的工程下,并取任意名稱,這里筆者取名為 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

        這里對這個文件做簡單的解釋,
        _WDWORD(0xE0042004, 0x00000027); // DBGMCU_CR
        這一句表示想 0xE0042004地址處寫入 0x000000027,這個寄存器是各個位表示的含義在注釋中給出了詳細的解釋。 0x27即表示
                BIT0 DBG_SLEEP
                BIT1 DBG_STOP
                BIT2 DBG_STANDBY
                BIT5 TRACE_IOEN
        注意,要使用ITM機制,必須要打開BIT5。

        打開MDK工程,按照下圖修改。
         

         



        2.3 MDK中對JLINK的配置
         

         



        下圖中注意兩點
        1). 這里的CoreClock是120M,因為筆者使用的是stm32F207VG這款芯片,并且時鐘配置為120M,所以這里填入120M,如果你使用stm32F10x,時鐘配置成72M,那么這里需要填入72M。即需要跟實際情況保持一致。
        2). 最后一定要將 0處打勾,并將其他bit位上的勾去掉,最好與此圖保持一致,除CoreClock外。
         

         



        2.4 燒錄程序,并啟動調試?梢钥吹,筆者在程序源碼中插入了一句printf語句輸出,然后按照下圖,就可以看到程序的輸出了。
         

         



        3. 綜合版本使用scanf和printf
        3.1 添加retarget文件
        將如下代碼保存成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 編譯運行
        編譯,燒錄,運行,打開Debug (printf) viewer,就可以看到輸入,參看下圖
         

         



        這里對retarget.c文件做幾點說明.
        1). 上面的代碼實際是在X:\Keil\ARM\Startup\Retarget.c上修改而成的,scanf依賴的函數共有兩個,fgetc和 __backspace都需要實現,如果缺少__backespace函數,則scanf胡無法從Debug Viewer Dialog 窗口獲取輸入。另外上面提供的代碼只是個demo,用于演示效果,用于生產時應該處理的更完善一些。見參考文獻[1]

        2). 函數ITM_SendChar,ITM_CheckChar,ITM_ReceiveChar在庫文件CMSIS\Include\core_cm3.h中。

        3) 查看函數的符號引用關系,可以通過生成詳細的map文件來查看。命令行增加 --verbose --list rtt.map選項即可生成名為rtt.map的文件。

        4. ITM與RTT結合(待實現)
        grissiom 寫道:
        忽然想到,或許可以把這個半主機做成 device,然后 rt_console_set_device("semi") 就可以直接用半主機做 finsh/rt_kprintf 了…… 不知可行不可行……

        prife: ITM的接收不知道是否支持中斷,目前接收字符使用是輪詢方式。如果是中斷才有意義。這樣可以把ITM設備做成一個 rtt 的device了,讓finsh跑在 Debug printf Viewer窗口上。以后只要接一個jtag/SWD口就可以調試了,不用再接串口線了


        參考文獻
        [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

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