2020年09月08日 | semihost/ITM机制浅析以及使用JLINK通过ITM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

#include

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

#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) {

// Debug MCU Configuration

// DBG_SLEEP Debug Sleep Mode

// DBG_STOP Debug Stop Mode

// DBG_STANDBY Debug Standby Mode

// TRACE_IOEN Trace I/O Enable 

// TRACE_MODE Trace Mode

// <0=> Asynchronous

// <1=> Synchronous: TRACEDATA Size 1

// <2=> Synchronous: TRACEDATA Size 2

// <3=> Synchronous: TRACEDATA Size 4

// DBG_IWDG_STOP Independant Watchdog Stopped when Core is halted

// DBG_WWDG_STOP Window Watchdog Stopped when Core is halted

// DBG_TIM1_STOP Timer 1 Stopped when Core is halted

// DBG_TIM2_STOP Timer 2 Stopped when Core is halted

// DBG_TIM3_STOP Timer 3 Stopped when Core is halted

// DBG_TIM4_STOP Timer 4 Stopped when Core is halted

// DBG_CAN_STOP CAN Stopped when Core is halted

//

_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:KeilARMStartupRetarget.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CMSISIncludecore_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