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1、旧日好时光MCU调试能力的鼎盛时代是在二十世纪90年代晚期， 当时全在线仿真器 (ICE)非常流行。 这些强大的机器使用复杂的触发器、 过滤器和许多（通常是无限的）硬件断点来提供停止、 运行、 单步调试以及跟踪内存功能。利用速度相对较慢的8051及其它类似元件， 在线仿真器混合使用生产芯片与特殊的、 昂贵的外合 (bond-out) 芯片。 外合芯片要求半导体制造商组建专门的芯片设计团队。 如果让该团队去开发能真正销售给客户的零部件，显然更有价值。通过JTAG端口进行调试随着芯片管脚增多、 总线周期效率的提高、 更多单芯片应用， 特别是更高速度的芯片在市场上出现， ICE便难以跟上发展步伐了。
2、 包括ARM在内的制造商纷纷开始把调试模块置于生产芯片之内。这些模块通过JTAG接口进行访问， 而JTAG接口当时已存在于许多芯片上， 用于板完整性的测试。 如今， 大多数MCU上都存在JTAG。 图1显示了MCBSTM32TM评估板上的KeilTM ULINKTM-ME USB-JTAG适配器。这些调试模块利用硬件断点来提供基本的停止、运行和单步调试。遗憾的是， 当外部访问与内部地址和数据总线之间的联络被切断后， 与跟踪内存相关联的大部分高级ICE调试能力也丧失了。 这一因素再加上一些设备的极高速度， 严重限制了全ICE的使用。 开发人员的调试能力至少倒退十年， 几乎回到了早期使用调试监控器
3、的阶段。为了将内部调试数据带给外部世界，人们提出了多种解决方案， 如仿真器和调试代码等。 这些方案很成功， 但是或多或少会占用CPU时间， 侵入CPU代码空间。 它们通常会占用UART端口。 仿真器的效率很高， 但最终会需要 “环路硬件” 产品来与客户硬件进行接口。 对于较复杂的实时系统， 并不是总能够停止CPU或 “偷” 几个处理周期来检查内部状态。 为了成功调试项目， 开发人员不得不使用一些别出心裁的方法， 而这往往会耗费大量时间， 导致项目延迟、 效率不高、 一些漏洞没有被发现。 因此， 让开发人员迫切需要在可以承受的代价下， 将关于MCU的数据实时导作 者Robert Boys, AR
4、M美国Keil产品经理摘要： 处理器拥有的调试功能对于确保项目的成功完成和维护至关重要。ARM处理器采用许多先进技术来提供调试能力。最新工具是串行线浏览器，它使处理器核心能通过称为“串行线输出”的单线端口发出实时跟踪信息。 本文首先探讨了现有的各种调试模块，然后研究了Cortex处理器如何实施和使用串行线浏览器。串行线浏览器也称为“实时跟踪：SWV”。 ARM利用CoreSight芯片上调试与跟踪技术扩展了ARM7、ARM9和ARM11核心中使用的嵌入式ICE调试模块。CoreSight用在Cortex、ARM9和ARM11处理器中。这些目标彼此密不可分，都是旨在为开发人员提供工具，使他们能够
5、尽可能有效地调试和测试项目。 本文中，我们将回顾这些年来处理器调试能力的兴盛与衰落，以及ARM如何使这一利器重整雄风。我们的重点将是Cortex-M3微处理器中使用的CoreSight的串行线浏览器 (SWV) 组件。它也称为“实时跟踪：SWV”。我们将讨论它的工作机制、为什么它很有用以及如何、在哪里使用它。特殊MCU部分 实时跟踪： 串行线浏览器Information QuarterlyNumber 9, Autumn 200822图1 Keil USB-JTAG adapter on STM32 boardTECHNOLOGY IN-DEPTH出芯片外。 这些数据包括程序流状态改变的程序计
6、数器值、 数据读取和写入， 以及内部寄存器值。ARM为这些问题提供了解决之道。实时跟踪ETMTM1990 年代晚期， ARM开发出了能提供上述关键信息的ETM（嵌入式跟踪宏单元）。 这些数据被输出到4 位、 8 位或16位专用跟踪总线上， 并为特殊的跟踪调试器工具所捕捉。 这一外部工具需要非常快的硬件以ARM核心能够达到的运行速度来捕捉所有数据。 虽然ETM很有效，但是人们需要较低成本的、 无需使用这一昂贵硬件的跟踪信息收集方法。 因此，ETM只是作为一种备选功能提供给半导体制造商， 并非所有ARM设备都具备ETM。CoreSight实时跟踪SWVARM为其Cortex系列使用了一套新的Cor
7、eSight调试宏单元。 CoreSight包括所有调试宏单元， 例如： JTAG调试、ETM， 以及最重要的添加了串行线调试 (SW-DB) 和串行线浏览器 (SWV)。并不是全部Cortex MCU都具有ETM， 但是它们全都具有JTAG和SW-DB调试技术。 目前Luminary、 STMicroelectronics已经开始提供带有SWV的Cortex处理器， NXP很快也会提供。串行线调试(SW-DB)的调试能力与JTAG相同， 但是管脚更少。 SW-DB仅使用2根线来连接CoreSight调试模块， 而JTAG则要使用4到7根线。 因此， SW-DB可以使用更小的连接器。 SW-D
8、B和JTAG提供停止、 运行和单步调试、 最多8个硬件断点及4个观察点。 这两种调试方法均能使用Keil ULINK2 USB-JTAG适配器。 串行线浏览器(SWV)与1位ETM端口相似。 它只需要一个管脚， 这个管脚在MCU上称为串行线输出 (SWO)。 这三个管脚（SW-DB和SWO）与JTAG端口共享一个连接器。 图2显示了典型Cortex处理器的各种组件。串行线浏览器的作用串行线浏览器提供下列类型的信息：1) 程序计数器值2) 数据读写周期3) 变量值和外设值4) 事件计数器5) 异常进入和返回6) 时间戳和所用的CPU周期不需要在用户程序中写入调试代码， 也不需要占用处理周期。 用
9、户代码也可以将数据送出SWO。SW V与ETM之间的主要区别在于ETM具有更高的数据吞吐率； 而SWV可以没有昂贵的硬件工具的情况下， 提供适量的跟踪信息。 RealView MDK-ARM（微控制器开发套件）提供SWV支持，不另收费。 MDK使用Keil的Vision3作为其IDE（集成开发环境）。 详情请访问。变量Vision可以包括图形在内的多种熟图 2 Cortex Debugging Diagram图 3 Keil Vision Logic AnalyzerInformation QuarterlyNumber 9, Autumn 200823TECHNOLOGY IN-DEPTHI
10、nformation QuarterlyNumber 9, Autumn 200824TECHNOLOGY IN-DEPTH悉格式实时显示变量， 没有任何侵入性。SWV宏单元将变量传输出SWO线， 除上述 3 根串行管脚外， 它不需要任何CPU周期或资源。 全局变量、 静态变量和结构均可容易地得到显示。 而对于局部变量， 首先必须将它们转换为全局变量或静态变量， 然后才能查看它们。 下一页上的图3显示了A/D转换器的实时输出： AD_DbgVal和Systick句柄。外设寄存器可以实时提取外设寄存器的值。只要全局变量或静态变量对一个外设地址执行读或写操作， 便会创建一个跟踪事件， 图3所示的图
11、形中或 “观察与内存” 窗口中可以显示该跟踪事件。程序计数器 (PC) 样本可以显示程序计数器的值。 当程序流程发生改变、 进行概貌分析、 确定CPU可能是在哪里陷入了死循环和哪个指令造成死循环时， 这个功能会很有用。 概貌分析可以指出CPU正在哪里执行任务。 很显然，ARM核心的运行速度非常快， 单根串行线端口无法提供每个程序的计数器值。 但给出性能分析的统计样本是可能的， 它对于概貌分析也是足够的。 下一页上的图4显示了PC值以及CPU周期中的时间戳和秒数。 数据读写帧可以显示读写数据帧， 给出责任指令的地址、所传输的数据值、 数据地址以及核心周期数与秒数中的时间戳。 下一页上的图5显示了
12、一系列数据写入及其属性。 数据读取的显示与此相似。请注意， 图5中的小过滤器窗口显示了可以显示的事件类型。ITM： 仪器跟踪宏单元用户程序可以使用ITM将数据写出SWO端口。 该数据可以显示在跟踪记录窗口中或串行线浏览器窗口中。以下所示为写入ITM的用户代码示例。 有时用“printf debugging” 指代这种代码。 这种方法对用户程序只有轻微的侵入性影响。图4显示了三条ITM记录。 图6显示了串行线浏览器窗口中显示的用户代码结果。跟踪事件计数器受跟踪的时间类型如下：图 4 PC Samples & ITM Trace Records图 5 Data Writes & Exception
13、 examples图 6 Serial Wire Viewer WindowInformation QuarterlyNumber 9, Autumn 200825TECHNOLOGY IN-DEPTH1) CPU时钟周期数（32位）2) 折叠指令计数（8位）3) 指令周期数（8位）4) 处理器睡眠周期数（8位）5) 中断处理所花的总周期数（8位）6) 加载/存储操作所花的总周期数 （8位）这些计数器之一每翻滚一次， 便会产生一个事件， 并将该事件馈入事件计数器窗口。 这些计数器可以用来测量总消逝时间， 提供关于系统性能的信息， 以及用来完成许多其它任务。图7显示了这些计数器的翻滚次数。点击
14、0” 可将这些计数器清零。异常跟踪对话框SWV会捕捉各种异常返回和退出。SWV会给这些异常标上时间戳， 并显示异常号码。 图8显示了异常跟踪窗口， 其中SysTick (15) 发生了921次。 关于异常的信息将显示在此窗口中， 并且还会重复显示在跟踪记录窗口中， 如图5所示， 其中显示了异常0和15。跟踪的价值无论是ETM还是SWV， 跟踪均显著增强了调试能力。 大项目中可能要花上数小时、 数天甚至数周才能发现的问题， 利用跟踪经常只需要这些时间的一个零头就能发现。对于很长时间后才看到后果的代码缺陷， 或者对于范围改变后系统状态消失的情形， 跟踪特别有用。 通常而言， 使用跟踪可以帮助发现代
15、码缺陷而无需停止程序运行。 利用高水平跟踪可以发现的问题类型如下：1) 指针问题。2) 非法指令和数据异常中止 （例如错位 写等） 。3) 代码覆盖写入闪存、 意外写入 外设寄存器 (SFR)、 堆栈损坏。4) 数据出界； 变量和阵列未初始化。5) 堆栈溢出； 什么导致堆栈变得过大？6) 程序逃逸： 程序不知所踪， 需要知道 是什么指令导致这一情况。7) 通信协议和时序问题； 系统时序问 题。8) 程序的时间都花在什么地方？ 概貌分 析器 （Profile Analyzer ） 可以告诉您。此外， 还可以实时查看一些感兴趣的项目， 例如： 变量内容、 RTOS的状态（任务号码等）、 信号及其它
16、信息， 以发送信息给开发人员。如何试用？您只需要准备一块带有STM32或Luminary处理器的评估板、 一个Keil ULINK2（或ME）与一份RealView MDK拷贝。 MDK已包含了数个范例， 所有代码都将利用这些工具的评估版来编译。结论由于采用ARM CoreSight技术和Keil的Vision3， 串行线浏览器提供了一种从MCU内部获取信息的低成本方法。 串行线浏览器性能优越、 易于使用且成本低廉。虽然寻找顽固恶劣的缺陷等重型跟踪调试仍会使用ETM， 但在使用跟踪调试排查一些偶发问题方面， 则非串行线浏览器莫属。图 7 Event Counters图 8 Exception Trace Window
