keil+stm32+jlink利用swd方式進行printf輸出

原創 木子月月 2018-08-22 05:08

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，稱爲半主機（semihosting）方式。

在pc上編寫過C語言的人都知道，printf可以向控制檯輸出，scanf可以從控制檯獲取輸入，這裏的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，那麼這些函數是否可以使用呢？ 問題來了，printf向哪裏輸出呢？並且大部分情況下，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藉助仿真器，使得單片機可以藉助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

[cpp] view plain copy
 在CODE上查看代碼片派生到我的代碼片
  1. #include <stdio.h>  
  2. int main()  
  3. {  
  4.         //硬件初始化  
  5.         //....  
  6.         printf("hello, world");  
  7.         for(;;);  
  8. }  


這個程序燒錄到單片機中後，仿真器連接接單片機與PC，開始在線調試後，那麼這個程序會將"Hello, world"輸出到PC機上，在開發工具（MDK/IAR等）的某個窗口中顯示。

這就相當於，單片機藉助了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之後推出的新一代調試機制。現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，並需要連接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裏設置使用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，並添加到工程中。這裏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，爲什麼printf可以輸出到MDK窗口裏去呢？這是因爲 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，這個函數會藉助ITM（類似於USART）提供的寄存器，實現數據的發送，仿真器會收到這些數據，併發往PC機。

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

[cpp] view plain copy
 在CODE上查看代碼片派生到我的代碼片
  1. #include <stdio.h>  
  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

將下面文件放置在你的工程下，並取任意名稱，這裏筆者取名爲 STM32DBG.ini

[cpp] view plain copy
 在CODE上查看代碼片派生到我的代碼片
  1. /******************************************************************************/  
  2. /* STM32DBG.INI: STM32 Debugger Initialization File                           */  
  3. /******************************************************************************/  
  4. // <<< Use Configuration Wizard in Context Menu >>>                           //   
  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. // <h> Debug MCU Configuration  
  16. //   <o1.0>    DBG_SLEEP     <i> Debug Sleep Mode  
  17. //   <o1.1>    DBG_STOP      <i> Debug Stop Mode  
  18. //   <o1.2>    DBG_STANDBY   <i> Debug Standby Mode  
  19. //   <o1.5>    TRACE_IOEN    <i> Trace I/O Enable   
  20. //   <o1.6..7> TRACE_MODE    <i> Trace Mode  
  21. //             <0=> Asynchronous  
  22. //             <1=> Synchronous: TRACEDATA Size 1  
  23. //             <2=> Synchronous: TRACEDATA Size 2  
  24. //             <3=> Synchronous: TRACEDATA Size 4  
  25. //   <o1.8>    DBG_IWDG_STOP <i> Independant Watchdog Stopped when Core is halted  
  26. //   <o1.9>    DBG_WWDG_STOP <i> Window Watchdog Stopped when Core is halted  
  27. //   <o1.10>   DBG_TIM1_STOP <i> Timer 1 Stopped when Core is halted  
  28. //   <o1.11>   DBG_TIM2_STOP <i> Timer 2 Stopped when Core is halted  
  29. //   <o1.12>   DBG_TIM3_STOP <i> Timer 3 Stopped when Core is halted  
  30. //   <o1.13>   DBG_TIM4_STOP <i> Timer 4 Stopped when Core is halted  
  31. //   <o1.14>   DBG_CAN_STOP  <i> CAN Stopped when Core is halted  
  32. // </h>  
  33. _WDWORD(0xE0042004, 0x00000027);  // DBGMCU_CR  
  34. _WDWORD(0xE000ED08, 0x20000000);   // Setup Vector Table Offset Register  
  35. }  
  36.   
  37. DebugSetup();                       // Debugger Setup  


這裏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註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). 這裏的CoreClock是120M，因爲筆者使用的是stm32F207VG這款芯片，並且時鐘配置爲120M，所以這裏填入120M，如果你使用stm32F10x，時鐘配置成72M，那麼這裏需要填入72M。即需要跟實際情況保持一致。
2). 最後一定要將 0處打勾，並將其他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，並啓動調試。可以看到，筆者在程序源碼中插入了一句printf語句輸出，然後按照下圖，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，然後加入到工程中。

[cpp] view plain copy
 在CODE上查看代碼片派生到我的代碼片
  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 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

這裏對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，用於演示效果，用於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係，可以通過生成詳細的map文件來查看。命令行增加 --verbose --list rtt.map選項即可生成名爲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，然後 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。如果是中斷纔有意義。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。以後只要接一個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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