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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。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，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。
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2.3 MDK中對JLINK的配置
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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。
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2.4 燒錄程序，并啟動調試。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 編譯運行
編譯，燒錄，運行，打開Debug (printf) viewer，就可以看到輸入，參看下圖
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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