在keil利用指令跟踪宏单元(ITM)重定向printf，并完成scanf实现数据双向交互

声明：由于STM32有很好的配套软件，如cubeMX,因此软件替我们做了很多事，这将导致不能对ITM进行一个全面的了解，当我们需要移植到其它ARM上难以成功，因此本文选取了GD32来实现ITM，完整的展现配置的原理和过程，同时对JLINK和ST-LINK的不同配置方法进行叙述，由于能力有限，难免会有理解的错误，若发现错误请留言，让我在分享中得到收获，谢谢。

1. 开发环境

• 系统：win10
• IDE：keil5
• 开发板：GD32F450
• 调试器：J-LINK V10和st-link v2两种方案分别实现

2. ITM简介和硬件需求

平时调试代码的时候大家都喜欢用printf函数来输出一些打印信息，来提示自己代码的执行情况，而最常用的方法就是将printf映射到串口等外设资源上，可是当串口被占用的时候，就显得无能为例了，本文通过GD32来介绍通过调试口，只需多利用ARM芯片的一个引脚，借助仿真器，不使用其他任何芯片外设达到printf输出的一种方法-ITM。

2.1 技术简介

ITM：Instrumentation Trace Macrocell，指令跟踪宏单元。ITM 的一个主要用途，就是支持调试消息。

在《ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南》的这本书的第18章2节有对ITM的介绍和实现的完整叙述，本节总结如下：

在Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7系列MCU中，内核的调试组件有一个仪器跟踪宏单元(ITM) 。ITM是处理器中非常有用的调试特性，ITM中存在32个激励端口寄存器，而对于这些寄存器的写操作会产生通过单针串行线(SWV)接口或多针跟踪接口输出的跟踪包。利用ITM这个特性，将printf重定向到ITM，就可以通过SWV接口输出。而SWV接口输出对应的引脚就是SWO引脚。

ITM 包含 32 个刺激(Stimulus)端口，允许不同的软件把数据输出到不同的端口，从而让调试主机可以把它们的消息分离开，这样的好处是可以将printf分组，通过上位机来监听不一样的端口来实现过滤。与基于 UART 的文字输出不同，使用 ITM 输出不会对应用程序造成很大的延迟，在 ITM 内部有一个 FIFO，它使写入的输出消息得到缓冲。

为了让更多人理解ITM模块，怎样输出调试信息，这里再深入说明一下(声明：下面这部分知识和图片取自别的文章¹)：

1. TPIU：Trace Port Interface Unit，跟踪端口接口单元。
2. ITM模块属于Cortex-M内核调试组件中的一部分内容，ITM输出的消息被送往 TPIU(跟踪端口接口单元),这里的TPIU，对应SWO串行线输出。
3. 这里TPIU要和上面说的【ITM 包含 32 个刺激(Stimulus)端口】区分开来。
4. ITM的32个刺激(Stimulus)端口并不是要对应32个SWO引脚,32个刺激端口调试信息可通过一个SWO引脚输出，下面详细讲述。

注意：ITM是内核的功能，因此需要处理器带这个组件，比如你的芯片是 Cortex-M0或M0+的ARM内核，是无法不支持ITM，对于这种无法支持ITM的，我们有的可以采用半主机(semihosting)模式进行调试，后面有时间我会讲解半主机调试。

2.1 硬件支持

从上面我们知道，ITM的实现除了处理器支持外，对调试器也有要求。

2.1.1 首先我们知道，对于使用不一样的调试器或下载器，我们常用的ARM下载方式有三种接口：

1. 串口接口，这种情况一般是开机时候通过boot引脚来控制运行芯片固化的boot loader完成串口下载。只能用来下载，不能debug。因为这个比较简单，本文不讨论。
2. JTAG接口，可以用来下载和调试，但调试速度和效果不如SW，因为JTAG的最牛功能是借助BSDL来实现边界扫描。
3. SW接口，可以用来下载和调试，ITM的实现必须借助SW接口。

2.1.2 调试接口大概分为三种，如图：

虽然我们买ARM板上面的调试接口可能五花八门，但是本质上都是从这3种接口删删减减演化而来的，下面我们说的是最标准的接口：

1. 最常用的20pin调试接口：
   

2. 不常见的10pin调试接口：
   

3. 几乎不用的一种调试接口：
   

有关接口的详细说明请参考ARM KEIL官网介绍；图上黄色和黑色的字表示不同协议下载方式的不同名字和功能。因为SW接口和JTAG接口是复用的，所以可以将sw调试器直接插在jtag接口上使用，上图中黄色字体代表这个引脚在SW接口中的含义。

通过上面我们知道，这些标准接口有些引脚是重复的(如GND)，有些引脚平时debug又用不着，因此为了节约pcb空间和提高引脚利用率，我们往往都是设计简化的下载接口。

2.1.3 简化的下载接口引脚的说明

• JTAG 调试提供五个引脚的接口：JTAG 时钟引脚（JTCK），JTAG 模式选择引脚（JTMS），JTAG 数据输入引脚（JTDI），JTAG 数据输出引脚（JTDO），JTAG 复位引脚（NJTRST，低电平有效）。

• 串行调试（SWD）提供两个引脚的接口：数据输入输出引脚（SWDIO）和时钟引脚（SWCLK），两个引脚与 JTAG 调试接口的两个引脚复用，SWDIO 和 JTMS复用，SWCLK 和 JTCK 复用。

• 当异步跟踪功能开启时，JTDO 引脚也用作异步跟踪数据输出（TRACESWO）。

名词解释：
SWD：Serial Wire Debug，串行线调试.
SWO：Serial Wire Output，串行线输出.
SWV：Serial Wire Viewer，串行线查看器.
SW是Serial Wire，是一种下载接口。SWD全称Serial Wire Debug，是利用SW接口调试的一种方式.

GD32F450调试接口对应引脚如图：

2.1.3 ITM需要多接一根线

若想使用ITM，调试方式必须设置为SWD方式

和传统的SWD下载相比，实现ITM必须在多接一根线，如下图¹:

刚才我们有说ITM包含了32个端口，它们就是通过SWO引脚，将打印的信息输出到keil，keil在通过选择监听端口，我们可以直接用它来输出一些调试信息。

SWO引脚可以类比为UART的Tx引脚，如果不连接此引脚，则（SWV）终端不会接收打印信息。

针对STM32使用cubeMAX配置，网上有很多，如参考strongerHuang的文章，写的很好：文章地址；我就不在叙述了。

本文介绍的是更为通用的方法，使用GD32F450进行介绍，因为JLINK和stlink配置方法是不同的，最后我会详细讲解两者区别。

3. 用ST-LINK v2来实现ITM

因为GD32可以在keil上来使用ST-LINK进行下载和调试，配置比较简单，那我们由浅入深，先介绍ST-LINK来实现ITM。后面我们在介绍较难的jlink配置实现ITM。

3.1 KEIL中配置

本人使用的是st官方发行的STLINK V2，接好GD32开发板，将ST-LINK插入电脑上，在keil配置如下：

不同的调试器这个界面略有区别，这个是st-link的(后面有讲jlink如何配置)，时钟要设置的和芯片core时钟一致(GD32F450内核时钟为200M)。

开启Trace，勾选Autodetect。

端口选择需要和ITM_SendChar函数选择的一致，这里选择端口0，下面程序中关于端口设置会详细介绍。

3.2 mcu内部程序printf重定向-使用标准c库

printf的重定向有使用标准ARM C库和keil的MicroLIB库两种方案，本章介绍较为复杂的标准ARM C库方法，这两种库的区别请参考我的另一篇文章，对照那篇文章很容易将标准ARM C库方案改为keil的MicroLIB库方案。

//在KEIL MDK 用的重定向函数
#include <stdio.h>
#include "gd32f4xx.h"#pragma import(__use_no_semihosting_swi) //确保没有从 C 库链接使用半主机的函数       //因为禁止了半主机模式，需要重写一个半主机模式下的接口，如下
int _ttywrch(int ch)
{ch=ch;return ch;
}//标准库需要的支持函数
struct __FILE
{ int handle; /* 在此处增加自己需要的内容 */
}; FILE __stdout;
FILE __stdin;//定义_sys_exit()以避免使用半主机模式
void _sys_exit(int x)
{ lable: goto lable; /* 死循环 */
} int fputc(int ch, FILE *f){      //调取core_cm4中的函数return (ITM_SendChar(ch));
}

这个ITM_SendChar 函数来自core_cm4.h,因为这个文件来自ARM，因此不管您用的谁家的处理器，只要是Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7之一，那就一定能在对应的core_cmX.h中找到这些函数，如图：

通过上图我们知道，ITM不止支持发送，还支持接收，通过接收来实现scanf的设置我们在后面讲，现在先配置发送。

我们已经知道ITM有32个刺激(Stimulus)端口，printf可以映射到任何端口，在通过keil中的配置，就可以实现不同端口的printf，若要映射到为其他端口，参考下图配置为映射到端口1：

那么你有没有这样的想法，那就是通过修改ITM_SendChar函数，来实现多个端口的printf端口，这时候上位机就可以订阅他感兴趣的端口输出，可以实现printf分组。请各位自己去验证吧。

下面就可以直接在main函数里面写printf就可以输出了：

int main(void)
{while(1){printf("\nITM test out\n");delay_1ms(400);    }}

注意：根据mcu芯片用户手册可知，芯片上电后调试引脚默认就是调试功能，所以不需要在程序里面初始化SWO引脚，这一就是为什么没有在main中初始化引脚的原因，

3.3 通过KEIL的Debug（printf）Viewer查看打印信息

确定链接调试器并接上mcu后，就可以进行debug调试了：点击：这个调试按钮，进入调试界面，然后点击View->Serial Windows->Debug(printf)Viewer就会显示printf打印的信息了，如图：

4. 利用JLINK调试器配置ITM输出

当你仿照ST-LINK配置的时候，用JLINK进行调试会发现不行，具体的现象是调用printf会在fputc调取ITM_SendChar(ch)卡住，这是因为JLINK还需要添加额外的配置。下面我们详细叙述。

4.1 KEIL 配置

先插上JLINK。配置主要就是使能跟踪Trace，配置CPU时钟，以及ITM端口，和使用stlink类似配置。

同样端口选择需要和ITM_SendChar函数选择的一致，不同的调试器这个界面略有区别，这个是jlink的，设置时钟为core时钟(GD32F450内核时钟为200M)，几乎跟用st-link的时候没有区别，勾上Autodetect选项。

4.2 mcu程序

和使用ST-link调试一样，mcu内部程序不变，上面有，我就不再写一次了。

4.3 jlink不能像stlink那样调试成功的缘由

通过上面的步骤使用jlink调试，你会发现不能用，printf会在ITM_SendChar里面卡主，我开始就在这卡了很久，后来查芯片数据手册发现如下：

手册里面说若要使用跟踪引脚，需要使能，需要设置这个寄存器0xE0042004U 的bit5为1，那下面我们就配置一下这个寄存器吧。（后面我会解释为啥前面用ST-LINK不需要设置这个）。

4.4 用jlink来配置mcu寄存器0xE0042004U 的bit5为1

首先新建一个文件，叫XXX.ini,本文就起名为JLINK_ITM_CONFING.ini，在这个文件中添加以下内容：

FUNC void DebugSetup (void) {  _WDWORD(0xE0042004, 0x00000020);  // DBGMCU_CR  }
DebugSetup();                     // Debugger Setup

然后将这个文件添加到keil中，如图：

你可能疑惑这个文件有什么用，这里解释以下，当你启动debug的时候，这个文件里面的程序将会最先执行，这里可以放一些函数，来实现一些配置和初始化，利用这个你似乎可以完成很多事情。而这个_WDWORD(0xE0042004, 0x00000020);的意思就是通过调试接口，将mcu的0xE0042004的寄存器地址赋值为0x00000020,正好是bit5为1；这个时候，你的jlink就可以实现ITM功能了。

当你仔细阅读用户手册关于调试相关寄存器你会发现，除了这个bit5外，其他的bit位也很有用，比如调试的时候可以关闭看门狗，关闭定时器等。同时你可以在.ini里面设置多个寄存器，如：

FUNC void DebugSetup (void) {  _WDWORD(0xE0042004, 0x00000027);  // DBGMCU_CR
_WDWORD(0xE000ED08, 0x20000000);   // Setup Vector Table Offset Register
}  DebugSetup();                       // Debugger Setup

是不是可玩性极强呢。

这时候你可能会思考，既然是设置mcu的寄存器，那我也可以不使用这个.ini文件，我直接在mcu的程序里面，在main函数里面添加*((int*)0xE0042004) = 0x00000020 给这个寄存器赋值不就可以了吗，当然可以，你可以去验证这个方法。

4.5 解释为什么ST-LINK不需要设置寄存器0xE0042004U

为了验证这件事我通过在程序中添加代码，打印0xE0042004里面的值，调试发现，当我使用stlink在debug的时候，默认会将bit5设置为1，而用jlink就不会，那这是不是说明stlink的固件里有程序替我们实现了那个.ini文件的功能呢。通过这件事我突然想到，我曾和人发生争执，那就是debug的时候看门狗会不会运行，当时我俩各执一词，现在想来，恐怕是我俩用了不一样的调试器和配置影响到了mcu的debug寄存器的配置，才会导致我俩看到的不一样吧。

5. KEIL 实现scanf，完成双向通信

printf完成了，要是还可以scanf，那不就实现双向通信了吗，下面我们就介绍scanf的实现。

printf是借助SWO引脚实现的，我们说过SWO是输出，是单向的。那scanf咋办，是不是要添加引脚，答案是不需要。我猜测scanf的传输是借助SWDIO引脚来实现的，因为我们现在都知道ITM的printf必须在SW调试模式下才有效，而我发现scanf不管是在JTAG还是SW模式下都可以实现。这就说明printf和scanf在实现原理可能是不同的。懒得再查资料了，就此打住，请知道的直接留言给我吧。

直接在mcu里面再添加程序如下：

volatile int32_t ITM_RxBuffer = 0x5AA55AA5; //初始化为EMPTY，在ITM_CheckChar函数内部和其他使用int fgetc(FILE *f)
{char tmp;while(ITM_CheckChar() == 0);//会在这卡主，等待用户输入tmp = ITM_ReceiveChar();if(tmp == 13) tmp = 10;//当接收到回车键，就替换成换行键return (ITM_SendChar(tmp));//回显
}

根据**ASCII **可以知道13是回车键CR，10是换行键LF，这样就可以实现友好的回显功能。

下面就可以直接在main函数里面写scanf和printf来实现mcu数据接收发送。例子：

int main(void)
{char textbuffer[40];//SCB->CCR |= SCB_CCR_STKALING_Msk;//使能双字栈对齐printf("\nhello word!\n");while(1){printf("\nplease enter text:\n");fgets(textbuffer, (sizeof(textbuffer)-1), stdin);printf("\nyou enteren:%s\n", textbuffer);      }}

fgets 读取用户输入(stdin)并存入textbuffer中，当然还可以用scanf来替换，scanf实现如下：

scanf("%s", &textbuffer[0]);

但是我们不推荐这样写，因为scanf这个函数不会检测缓冲溢出，也可以使用其他方法，如直接改造fgetc，来实现类似串口接收的效果，很容易，就不再讨论了。

这样就可以实现数据双向传输了,利用fgets和printf实现了发送返回，如下图：

6. 升级双向通信功能

上面的方法，有两个非常严重的问题，第一就是若想实现printf就要启动debug，但是已启动debug，程序就会复位，针对这个问题，请参考我的另一篇文章：ARM调试(3):在keil中不复位调试MCU 。
还有一个问题那就是当不在调试的时候，断电重启，printf会被程序忽略，不会有任何影响，可是接收函数fgets函数不会被忽略，导致会在这里面卡住，卡住的原因是fgets会调用fgetc，重写的fgetc函数里面的while是等待用户输入，然而因为用户没调试就无法输入，程序就会死在这里。如下：

那么就需要一件事，那就是让输入只在调试的时候有效，不调试的时候就忽略scanf，当然我们可以添加宏来解决这件事，调试的时候打开宏编译一下下载进去，不调试的时候在关闭宏，但是这样很麻烦，还要不断的编译程序。

有一种办法可以很好的解决这件事，根据上面的知识我们知道，当启动debug的时候，mcu的0xE0042004的寄存器地址赋值为0x00000020，而不调试的时候，0xE0042004的值是0，那么通过判断0xE0042004的寄存器的bit5位，就可以知道是不是在调试了.

因此可以封装一下scanf函数，下面的程序是我盲写的，没验证对错，但是我感觉差不多应该是对的，可能需要小改，请自己去实验，同时也可以根据自己的想法，改成类似串口那样的方式。

//封装fgets
char* itm_fgets(char *string,int n, FILE *stream)
{if(*((int*)0xE0042004) == 0x00000020)return scanf(string, n, stream);elsereturn null;
}//主函数测试
int main(void)
{char textbuffer[40];printf("\nhello word!\n");while(1){printf("\nplease enter text:\n");if(itm_fgets(textbuffer, (sizeof(textbuffer)-1)) != null){//判空操作，因为不调试的时候，这些变量是不会收到数据的  }printf("\nyou enteren:%s\n", textbuffer);      }}

7. 针对JLINK和ST-LINK仿真器实现ITM的说明

本例程都是借助keil来实现不同仿真器的ITM，这样做有一个不好之处，就是keil必须点击debug调试才可以进行交互.但其实每种仿真器都有自己的ide,利用这些ide就可以直接和mcu进行交互，这对于不需要源码的人来讲非常的方便。

jlink利用J-Link Commaner，官网下载地址，可以实现ITM调试。

stlink的STM32 ST-LINK Utility，可以实现ITM调试：

具体方法网上有很多教程，本文就不赘述了。

注意：GD32F450虽然能在keil中用st-link下载程序，但是使用不了STM32 ST-LINK Utility，根据网上的文章，stm32芯片是可以使用STM32 ST-LINK Utility进行调试的。

8 利用ITM调试实现逻辑分析仪功能

使用keil调试还有许多实用的功能，比如对全局变量进行逻辑分析等：

首先创建以后个全局变量，如：int a；并在程序中改变它的值

开启debug，点击下图设置，调出分析仪窗口：

右击变量a，将其添加到分析仪器中。

这时候这个变量a的变化就实时绘制到这个界面中了

观察其他变量的方法怎样设置请看下面两篇文章，感觉讲的挺好的，我没仔细研究。

文章1：链接

文章2：链接

其他：参考声明

---

1. 本文参考了strongerHuang的文章，他的csdn账号，本文一些图也取自这篇文章，文章地址； ↩︎ ↩︎

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