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作者：prife
感謝：hexlog@gmail.com
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使用ITM機(jī)制實(shí)現(xiàn)調(diào)試stm32單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)printf與scanf。
1. ITM簡(jiǎn)介
ITM機(jī)制是一種調(diào)試機(jī)制，是新一代調(diào)試方式，在這之前，有一種比較出名的調(diào)試方式，稱(chēng)為半主機(jī)（semihosting）方式。
在 pc上編寫(xiě)過(guò)C語(yǔ)言的人都知道，printf可以向控制臺(tái)輸出，scanf可以從控制臺(tái)獲取輸入，這里的printf/scanf都是標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)，利用操作系統(tǒng)的這些函數(shù)，我們可以很方便的調(diào)試程序。在嵌入式設(shè)備上（如stm32單片機(jī)平臺(tái)上）開(kāi)發(fā)工具（如MDK/IAR）也都提供了標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函，自然也提供了printf/scanf函數(shù)，那么這些函數(shù)是否可以使用呢？ 問(wèn)題來(lái)了，printf向哪里輸出呢？并且大部分情況下，也沒(méi)有鍵盤(pán)，又如何使用scanf實(shí)現(xiàn)輸入呢？
我們都知道，嵌入式設(shè)備一般的使用仿真器，如常見(jiàn)Jlink/ulink，可以實(shí)現(xiàn)燒錄，單步，下斷點(diǎn)，查看變量，等等。仿真器將PC機(jī)和單片機(jī)連接器來(lái)。聰明的設(shè)計(jì)者們就在考慮是否可以借助仿真器，使得單片機(jī)可以借助PC機(jī)的屏幕以及PC機(jī)的鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)printf的輸出和scanf的按鍵獲取。
也就是說(shuō)，如下的hello，world程序
#include <stdio.h>
int main()
{
//硬件初始化
//....
printf("hello, world");
for(;;);
}
這個(gè)程序燒錄到單片機(jī)中后，仿真器連接接單片機(jī)與PC，開(kāi)始在線調(diào)試后，那么這個(gè)程序會(huì)將"Hello, world"輸出到PC機(jī)上，在開(kāi)發(fā)工具（MDK/IAR等）的某個(gè)窗口中顯示。
這就相當(dāng)于，單片機(jī)借助了PC機(jī)的顯示/輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自己的輸出/輸入。這種方式無(wú)疑可以方便程序開(kāi)發(fā)者調(diào)試。
這種機(jī)制有多種實(shí)現(xiàn)方式，比較著名的就是semihosting（半主機(jī)機(jī)制）和ITM機(jī)制。
ITM是ARM在推出semihosting之后推出的新一代調(diào)試機(jī)制。現(xiàn)在我們來(lái)嘗試一下這種方式調(diào)試。
2. stm32使用ITM調(diào)試
MCU：stm32f207VG
仿真器：Jlink V8
IDE：MDK4.50
2.1 硬件連接
ITM機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的20針JTAG接口是可以的，只需要在MDK里設(shè)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(duì)這個(gè)文件簡(jiǎn)單說(shuō)明一下，要知道我們的程序是在單片機(jī)上運(yùn)行的，為什么printf可以輸出到MDK窗口里去呢？這是因?yàn)?標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的printf實(shí)際上調(diào)用 fputc實(shí)現(xiàn)輸出，所以我們需要自己編寫(xiě)一個(gè)fputc函數(shù)，這個(gè)函數(shù)會(huì)借助ITM（類(lèi)似于USART）提供的寄存器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，仿真器會(huì)收到這些數(shù)據(jù)，并發(fā)往PC機(jī)。
實(shí)際上，如果你的單片機(jī)和一塊LCD連接，那么你只需要重新實(shí)現(xiàn)fputc函數(shù)，并向LCD上輸出即可，那么你調(diào)用printf時(shí)就會(huì)輸出到LCD上了。這中機(jī)制，就是所謂的重定向機(jī)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(chēng)，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(duì)這個(gè)文件做簡(jiǎn)單的解釋?zhuān)?
_WDWORD(0xE0042004, 0x00000027); // DBGMCU_CR
這一句表示想 0xE0042004地址處寫(xiě)入 0x000000027，這個(gè)寄存器是各個(gè)位表示的含義在注釋中給出了詳細(xì)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(jī)制，必須要打開(kāi)BIT5。
打開(kāi)MDK工程，按照下圖修改。
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2.3 MDK中對(duì)JLINK的配置
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下圖中注意兩點(diǎn)
1). 這里的CoreClock是120M，因?yàn)楣P者使用的是stm32F207VG這款芯片，并且時(shí)鐘配置為120M，所以這里填入120M，如果你使用stm32F10x，時(shí)鐘配置成72M，那么這里需要填入72M。即需要跟實(shí)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。
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2.4 燒錄程序，并啟動(dòng)調(diào)試。可以看到，筆者在程序源碼中插入了一句printf語(yǔ)句輸出，然后按照下圖，就可以看到程序的輸出了。
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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(yùn)行
編譯，燒錄，運(yùn)行，打開(kāi)Debug (printf) viewer，就可以看到輸入，參看下圖
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這里對(duì)retarget.c文件做幾點(diǎn)說(shuō)明.
1). 上面的代碼實(shí)際是在X:\Keil\ARM\Startup\Retarget.c上修改而成的，scanf依賴(lài)的函數(shù)共有兩個(gè)，fgetc和 __backspace都需要實(shí)現(xiàn)，如果缺少__backespace函數(shù)，則scanf胡無(wú)法從Debug Viewer Dialog 窗口獲取輸入。另外上面提供的代碼只是個(gè)demo，用于演示效果，用于生產(chǎn)時(shí)應(yīng)該處理的更完善一些。見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]
2). 函數(shù)ITM_SendChar，ITM_CheckChar，ITM_ReceiveChar在庫(kù)文件CMSIS\Include\core_cm3.h中。
3) 查看函數(shù)的符號(hào)引用關(guān)系，可以通過(guò)生成詳細(xì)的map文件來(lái)查看。命令行增加 --verbose --list rtt.map選項(xiàng)即可生成名為rtt.map的文件。
4. ITM與RTT結(jié)合(待實(shí)現(xiàn))
grissiom 寫(xiě)道:
忽然想到，或許可以把這個(gè)半主機(jī)做成 device，然后 rt_console_set_device("semi") 就可以直接用半主機(jī)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(shè)備做成一個(gè) rtt 的device了，讓finsh跑在 Debug printf Viewer窗口上。以后只要接一個(gè)jtag/SWD口就可以調(diào)試了，不用再接串口線了
參考文獻(xiàn)
[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