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《論語》有云：“工欲善其事,必先利其器”。輸出調(diào)試信息是軟件開發(fā)中必不可少的調(diào)試利器，在出現(xiàn)bug時如果沒有調(diào)試信息將會是一件令人頭痛的事。本文主要介紹在嵌入式開發(fā)中用來輸出log的方法，這些方法都是在實際開發(fā)過程中使用過的。
嵌入式開發(fā)的一個特點是很多時候沒有操作系統(tǒng)，或者沒有文件系統(tǒng)，常規(guī)的打印log到文件的方法基本不適用。最常用的是通過串口輸出uart log，例如51單片機，只要實現(xiàn)串口驅(qū)動，然后通過串口輸出就可以了。
這種方法實現(xiàn)簡單，大部分嵌入式芯片都有串口功能。但是這樣簡單的功能有時候卻不是那么好用，比如：
(1) 一款新拿到的芯片，沒有串口驅(qū)動時如何打印log
(2) 某些應(yīng)用下對時序要求比較高，串口輸出log占用時間太長怎么辦？比如usb枚舉。
(3) 某些bug正常運行時會出現(xiàn)，當(dāng)打開串口log時又不再復(fù)現(xiàn)怎么辦
(4) 一些封裝中沒有串口，或者串口已經(jīng)被用作其他用途，要如何輸出log下面來討論這些問題：
1、輸出log信息到SRAM
準確來說這里并不是輸出log，而是以一種方式不使用串口就可以看到log。在芯片開發(fā)階段都可以連接仿真器調(diào)試，可以使用打斷點的方法調(diào)試，但是有些操作如果不能被打斷就沒法使用斷點調(diào)試了。
這時候可以考慮將log打印到SRAM中，整個操作結(jié)束后再通過仿真器查看SRAM中的log buffer，這樣就實現(xiàn)了間接的log輸出。
本文使用的測試平臺是stm32f407 discovery，基于usb host實驗代碼，對于其他嵌入式平臺原理也是通用的。首先定義一個結(jié)構(gòu)體用于打印log，如下:
?
typedef?struct?
{
????volatile?u8?????type;
????u8*?????????????buffer;?????????????/*?log?buffer指針*/
????volatile?u32????write_idx;??????????/*?log寫入位置*/
????volatile?u32????read_idx;???????????/*?log?讀取位置*/
}log_dev;
?
定義一段SRAM空間作為log buffer:
?
static?u8?log_buffer[LOG_MAX_LEN];
?
log buffer是環(huán)形緩沖區(qū)，在小的buffer就可以無限打印log，缺點也很明顯，如果log沒有及時輸出就會被新的覆蓋。Buffer大小根據(jù)SRAM大小分配，這里使用1kB。為了方便輸出參數(shù)，使用printf函數(shù)來格式化輸出，需要做如下配置（Keil）：
并包含頭文件#include
?
//redirect?fputc
int?fputc(int?ch,?FILE?*f)
{
????print_ch((u8)ch);
????return?ch;
}
?
寫入數(shù)據(jù)到Sram：
?
/*write?log?to?bufffer?or?I/O*/
void?print_ch(u8?ch)
{
????log_dev_ptr->buffer[log_dev_ptr->write_idx++]?=?ch;
????if(log_dev_ptr->write_idx?>=?LOG_MAX_LEN){
????????log_dev_ptr->write_idx?=?0;
????}
}
?
為了方便控制log打印格式，在頭文件中再添加自定義的打印函數(shù)
?
#ifdef?DEBUG_LOG_EN
#define?DEBUG(...)??????printf("usb_printer:"__VA_ARGS__)
#else
#define?DEBUG(...)
#endif
?
在需要打印log的地方直接調(diào)用DEBUG()即可，最終效果如下，從Memory窗口可以看到打印的log：
2、通過SWO輸出log
通過打印log到SRAM的方式可以看到log，但是數(shù)據(jù)量多的時候可能來不及查看就被覆蓋了。為了解決這個問題，可以使用St-link的SWO輸出log，這樣就不用擔(dān)心log被覆蓋。查看原理圖f407 discovery的SWO已經(jīng)連接了，否則需要自己飛線連接：
在log結(jié)構(gòu)體中添加SWO的操作函數(shù)集：
?
typedef?struct
{
????u8?(*init)(void*?arg);
????u8?(*print)(u8?ch);
????u8?(*print_dma)(u8*?buffer,?u32?len);
}log_func;
typedef?struct?
{
????volatile?u8?????type;
????u8*?????????????buffer;
????volatile?u32????write_idx;
????volatile?u32????read_idx;
????//SWO
????log_func*???????swo_log_func;
}log_dev;
?
SWO只需要print操作函數(shù)，實現(xiàn)如下：
?
u8?swo_print_ch(u8?ch)
{
????ITM_SendChar(ch);
????return?0;
}
?
使用SWO輸出log同樣先輸出到log buffer，然后在系統(tǒng)空閑時再輸出，當(dāng)然也可以直接輸出。log延遲輸出會影響log的實時性，而直接輸出會影響到對時間敏感的代碼運行，所以如何取舍取決于需要輸出log的情形。
在while循環(huán)中調(diào)用output_ch()函數(shù)，就可以實現(xiàn)在系統(tǒng)空閑時輸出log。
?
/*output?log?buffer?to?I/O*/
void?output_ch(void)
{???
????u8?ch;
????volatile?u32?tmp_write,tmp_read;
????tmp_write?=?log_dev_ptr->write_idx;
????tmp_read?=?log_dev_ptr->read_idx;
????if(tmp_write?!=?tmp_read)
????{
????????ch?=?log_dev_ptr->buffer[tmp_read++];
????????//swo
????????if(log_dev_ptr->swo_log_func)
????????????log_dev_ptr->swo_log_func->print(ch);
????????if(tmp_read?>=?LOG_MAX_LEN)
????????{
????????????log_dev_ptr->read_idx?=?0;
????????}
????????else
????????{
????????????log_dev_ptr->read_idx?=?tmp_read;
????????}
????}
}
?
2.1 通過IDE輸出
使用IDE中SWO輸出功能需要做如下配置（Keil）：
在窗口可以看到輸出的log：
2.2 通過STM32 ST-LINK Utility輸出
使用STM32 ST-LINK Utility不需要做特別的設(shè)置，直接打開ST-LINK菜單下的Printf via SWO viewer，然后按start：
3、通過串口輸出log
以上都是在串口log暫時無法使用，或者只是臨時用一下的方法，而適合長期使用的還是需要通過串口輸出log，畢竟大部分時候沒法連接仿真器。添加串口輸出log只需要添加串口的操作函數(shù)集即可：
?
typedef?struct?
{
????volatile?u8?????type;
????u8*?????????????buffer;
????volatile?u32????write_idx;
????volatile?u32????read_idx;
????volatile?u32????dma_read_idx;
????//uart
????log_func*???????uart_log_func;
????//SWO
????log_func*???????swo_log_func;
}log_dev;
?
實現(xiàn)串口驅(qū)動函數(shù)：
?
log_func?uart_log_func?=?
{
????uart_log_init,
????uart_print_ch,
????0,
};
?
添加串口輸出log與通過SWO過程類似，不再多敘述。而下面要討論的問題是，串口的速率較低，輸出數(shù)據(jù)需要較長時間，嚴重影響系統(tǒng)運行。
雖然可以通過先打印到SRAM再延時輸出的辦法來減輕影響，但是如果系統(tǒng)中斷頻繁，或者需要做耗時運算，則可能會丟失log。要解決這個問題，就是要解決CPU與輸出數(shù)據(jù)到串口同時進行的問題，嵌入式工程師立馬可以想到DMA正是好的解決途徑。
使用DMA搬運log數(shù)據(jù)到串口輸出，同時又不影響CPU運行，這樣就可以解決輸出串口log耗時影響系統(tǒng)的問題。串口及DMA初始化函數(shù)如下：
?
u8?uart_log_init(void*?arg)
{
????DMA_InitTypeDef?DMA_InitStructure;
????u32*?bound?=?(u32*)arg;
????//GPIO端口設(shè)置
????GPIO_InitTypeDef?GPIO_InitStructure;
????USART_InitTypeDef?USART_InitStructure;
????RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE);?//使能GPIOA時鐘
????RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2,ENABLE);//使能USART2時鐘
????//串口2對應(yīng)引腳復(fù)用映射
????GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource2,GPIO_AF_USART2);
????//USART2端口配置
????GPIO_InitStructure.GPIO_Pin?=?GPIO_Pin_2;
????GPIO_InitStructure.GPIO_Mode?=?GPIO_Mode_AF;//復(fù)用功能
????GPIO_InitStructure.GPIO_Speed?=?GPIO_Speed_50MHz;???//速度50MHz
????GPIO_InitStructure.GPIO_OType?=?GPIO_OType_PP;?//推挽復(fù)用輸出
????GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd?=?GPIO_PuPd_UP;?//上拉
????GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
????//USART2初始化設(shè)置
????USART_InitStructure.USART_BaudRate?=?*bound;//波特率設(shè)置
????USART_InitStructure.USART_WordLength?=?USART_WordLength_8b;//字長為8位數(shù)據(jù)格式
????USART_InitStructure.USART_StopBits?=?USART_StopBits_1;//一個停止位
????USART_InitStructure.USART_Parity?=?USART_Parity_No;//無奇偶校驗位
????USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl?=?USART_HardwareFlowControl_None;//無硬件數(shù)據(jù)流控制
????USART_InitStructure.USART_Mode?=?USART_Mode_Tx;?//收發(fā)模式
????USART_Init(USART2,?&USART_InitStructure);?//初始化串口1
????#ifdef?LOG_UART_DMA_EN??
????USART_DMACmd(USART2,USART_DMAReq_Tx,ENABLE);
????#endif??
????USART_Cmd(USART2,?ENABLE);??//使能串口1?
????USART_ClearFlag(USART2,?USART_FLAG_TC);
????while?(USART_GetFlagStatus(USART2,?USART_FLAG_TC)?==?RESET);
????#ifdef?LOG_UART_DMA_EN
????RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA1,?ENABLE);
????//Config?DMA?channel,?uart2?TX?usb?DMA1?Stream6?Channel
????DMA_DeInit(DMA1_Stream6);
????DMA_InitStructure.DMA_Channel?=?DMA_Channel_4;
????DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr?=?(uint32_t)(&USART2->DR);
????DMA_InitStructure.DMA_DIR?=?DMA_DIR_MemoryToPeripheral;
????DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc?=?DMA_PeripheralInc_Disable;
????DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc?=?DMA_MemoryInc_Enable;
????DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize?=?DMA_PeripheralDataSize_Byte;
????DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize?=?DMA_PeripheralDataSize_Byte;
????DMA_InitStructure.DMA_Mode?=?DMA_Mode_Normal;
????DMA_InitStructure.DMA_Priority?=?DMA_Priority_High;
????DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode?=?DMA_FIFOMode_Disable;?
????DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst?=?DMA_MemoryBurst_Single;
????DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst?=?DMA_PeripheralBurst_Single;
????DMA_Init(DMA1_Stream6,?&DMA_InitStructure);
????RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA1,?ENABLE);
????#endif
????return?0;
}
?
DMA輸出到串口的函數(shù)如下：
?
u8?uart_print_dma(u8*?buffer,?u32?len)
{
????if((DMA1_Stream6->CR?&?DMA_SxCR_EN)?!=?RESET)
????{
????????//dma?not?ready
????????return?1;
????}
????if(DMA_GetFlagStatus(DMA1_Stream6,DMA_IT_TCIF6)?!=?RESET)
????{
????????DMA_ClearFlag(DMA1_Stream6,DMA_FLAG_TCIF6);
????????DMA_Cmd(DMA1_Stream6,DISABLE);
????}
????DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Stream6,len);
????DMA_MemoryTargetConfig(DMA1_Stream6,?(u32)buffer,?DMA_Memory_0);
????DMA_Cmd(DMA1_Stream6,ENABLE);
????return?0;
}
?
這里為了方便直接使用了查詢DMA狀態(tài)寄存器，有需要可以修改為DMA中斷方式，查Datasheet可以找到串口2使用DMA1 channel4的stream6：
最后在PC端串口助手可以看到log輸出：
使用DMA搬運log buffer中數(shù)據(jù)到串口，同時CPU可以處理其他事情，這種方式對系統(tǒng)影響最小，并且輸出log及時，是實際使用中用的最多的方式。并且不僅可以用串口，其他可以用DMA操作的接口（如SPI、USB）都可以使用這種方法來打印log。
4、使用IO模擬串口輸出log
最后要討論的是在一些封裝中沒有串口，或者串口已經(jīng)被用作其他用途時如何輸出log，這時可以找一個空閑的普通IO，模擬UART協(xié)議輸出log到上位機的串口工具。常用的UART協(xié)議如下：
只要在確定的時間在IO上輸出高低電平就可以模擬出波形，這個確定的時間就是串口波特率。為了得到精確延時，這里使用TIM4定時器產(chǎn)生1us的延時。注意：定時器不能重復(fù)用，在測試工程中TIM2、3都被用了，如果重復(fù)用就錯亂了。初始化函數(shù)如下：
?
u8?simu_log_init(void*?arg) { ????TIM_TimeBaseInitTypeDef?TIM_InitStructure;?? ????u32*?bound?=?(u32*)arg; ????//GPIO端口設(shè)置 ????GPIO_InitTypeDef?GPIO_InitStructure; ????RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE);?//使能GPIOA時鐘 ????GPIO_InitStructure.GPIO_Pin?=?GPIO_Pin_2; ????GPIO_InitStructure.GPIO_Mode?=?GPIO_Mode_OUT; ????GPIO_InitStructure.GPIO_Speed?=?GPIO_Speed_50MHz;???//速度50MHz ????GPIO_InitStructure.GPIO_OType?=?GPIO_OType_PP;?//推挽復(fù)用輸出 ????GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd?=?GPIO_PuPd_UP;?//上拉 ????GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); ????GPIO_SetBits(GPIOA,?GPIO_Pin_2); ????//Config?TIM ????RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4,ENABLE);?//使能TIM4時鐘 ????TIM_DeInit(TIM4); ????TIM_InitStructure.TIM_Prescaler?=?1;????????//2分頻 ????TIM_InitStructure.TIM_CounterMode?=?TIM_CounterMode_Up; ????TIM_InitStructure.TIM_Period?=?41;??????????//1us?timer ????TIM_InitStructure.TIM_ClockDivision?=?TIM_CKD_DIV1; ????TIM_TimeBaseInit(TIM4,?&TIM_InitStructure); ????TIM_ClearFlag(TIM4,?TIM_FLAG_Update); ????baud_delay?=?1000000/(*bound);??????????//根據(jù)波特率計算每個bit延時 ????return?0; }
?
使用定時器的delay函數(shù)為：
?
void?simu_delay(u32?us)
{
????volatile?u32?tmp_us?=?us;
????TIM_SetCounter(TIM4,?0);
????TIM_Cmd(TIM4,?ENABLE);
????while(tmp_us--)
????{
????????while(TIM_GetFlagStatus(TIM4,?TIM_FLAG_Update)?==?RESET);
????????TIM_ClearFlag(TIM4,?TIM_FLAG_Update);
????}???
????TIM_Cmd(TIM4,?DISABLE);
}
?
最后是模擬輸出函數(shù)，注意：輸出前必須要關(guān)閉中斷，一個byte輸出完再打開，否則會出現(xiàn)亂碼：
?
u8?simu_print_ch(u8?ch)
{
????volatile?u8?i=8;
????__asm("cpsid?i");
????//start?bit
????GPIO_ResetBits(GPIOA,?GPIO_Pin_2);
????simu_delay(baud_delay);
????while(i--)
????{
????????if(ch?&?0x01)
????????GPIO_SetBits(GPIOA,?GPIO_Pin_2);
????????else
????????GPIO_ResetBits(GPIOA,?GPIO_Pin_2);
????????ch?>>=?1;
????????simu_delay(baud_delay);
????}
????//stop?bit
????GPIO_SetBits(GPIOA,?GPIO_Pin_2);
????simu_delay(baud_delay);
????simu_delay(baud_delay);
????__asm("cpsie?i");
????return?0;
}
?
使用IO模擬可以達到與真實串口類似的效果，并且只需要一個普通IO，在小封裝芯片上比較使用。
總結(jié)
介紹了幾種開發(fā)中使用過的打印調(diào)試信息的方法，方法總是死的，關(guān)鍵在于能靈活使用；通過打印有效的調(diào)試信息，可以幫助解決開發(fā)及后期維護中遇到的問題，少走彎路。
審核編輯：湯梓紅
工商網(wǎng)監(jiān)
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