单片机没有串口时如何打印调试信息

输出调试信息是嵌入式开发中必不可少的调试利器,嵌入式开发的一个特点是很多时候没有操作系统,或者没有文件系统,常规的打印log到文件的方法基本不适用。
最常用的是通过串口输出uart log,例如51单片机,只要实现串口驱动,通过串口输出就可以了。
串口这种方法实现简单,大部分嵌入式芯片都有串口功能。但是这样简单的功能有时候却不是那么好用,比如:
一款新拿到的芯片,没有串口驱动时如何打印log?
某些应用下对时序要求比较高,串口输出log占用时间太长怎么办?比如usb枚举。
某些bug正常运行时会出现,当打开串口log时又不再复现怎么办?
一些封装中没有串口,或者串口已经被用作其他用途,要如何输出log?
  本文介绍单片机没有串口时,如何打印调试信息。  
1 输出log信息到sram 准确来说这里并不是输出log,而是以一种方式不使用串口就可以看到log。在芯片开发阶段都可以连接仿真器调试,可以使用打断点的方法调试,但是有些操作如果不能被打断就没法使用断点调试了。这时候可以考虑将log打印到sram中,整个操作结束后再通过仿真器查看sram中的log buffer,这样就实现了间接的log输出。
本文使用的测试平台是stm32f407 discovery,基于usb host实验代码,对于其他嵌入式平台原理也是通用的。
首先定义一个结构体用于打印log,如下:
            typedef struct { volatile u8 type; u8* buffer; /* log buffer指针*/ volatile u32 write_idx; /* log写入位置*/ volatile u32 read_idx; /* log 读取位置*/}log_dev;  
定义一段sram空间作为log buffer
  static u8 log_buffer[log_max_len];  
log buffer是环形缓冲区,在小的buffer就可以无限打印log,缺点也很明显,如果log没有及时输出就会被新的覆盖。buffer大小根据sram大小分配,这里使用1kb。
为了方便输出参数,使用printf函数来格式化输出,需要做如下配置。
并包含头文件#include , 在代码中实现函数fputc()。
            //redirect fputcint fputc(int ch, file *f){ print_ch((u8)ch); return ch;}  
写入数据到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; }}  
为了方便控制log打印格式,在头文件中再添加自定义的打印函数:
          #ifdef debug_log_en#define debug(...) printf(usb_printer:__va_args__)#else#define debug(...)#endif  
在需要打印log的地方直接调用debug()即可,最终效果如下,从memory窗口可以看到打印的log:
  通过swo输出log  
通过打印log到sram的方式可以看到log,但是数据量多的时候可能来不及查看就被覆盖了。为了解决这个问题,可以使用st-link的swo输出log,这样就不用担心log被覆盖。
在log结构体中添加swo的操作函数集:
                            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操作函数,实现如下:
          u8 swo_print_ch(u8 ch){ itm_sendchar(ch); return 0;}  
使用swo输出log同样先输出到log buffer,然后在系统空闲时再输出,当然也可以直接输出。log延迟输出会影响log的实时性,而直接输出会影响到对时间敏感的代码运行,所以如何取舍取决于需要输出log的情形。在while循环中调用output_ch()函数,就可以实现在系统空闲时输出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; } }}   1 通过ide输出  
使用ide中swo输出功能需要做如下配置(keil):
在窗口可以看到输出的log:
  2 通过stm32 st-link utility输出  
使用stm32 st-link utility不需要做特别的设置,直接打开st-link菜单下的printf via swo viewer,然后按start:
  通过串口输出log  
以上都是在串口log暂时无法使用,或者只是临时用一下的方法,而适合长期使用的还是需要通过串口输出log,毕竟大部分时候没法连接仿真器。
添加串口输出log只需要添加串口的操作函数集即可:
                      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;  
实现串口驱动函数:
          log_func uart_log_func = { uart_log_init, uart_print_ch, 0,};  
添加串口输出log与通过swo过程类似,不再多叙述。而下面要讨论的问题是,串口的速率较低,输出数据需要较长时间,严重影响系统运行。虽然可以通过先打印到sram再延时输出的办法来减轻影响,但是如果系统中断频繁,或者需要做耗时运算,则可能会丢失log。要解决这个问题,就是要解决cpu与输出数据到串口同时进行的问题,嵌入式工程师立马可以想到dma正是好的解决途径。
使用dma搬运log数据到串口输出,同时又不影响cpu运行,这样就可以解决输出串口log耗时影响系统的问题:stm32串口收发数据为什么要使用dma?串口及dma初始化函数如下:
                                                                                                            u8 uart_log_init(void* arg){ dma_inittypedef dma_initstructure; u32* bound = (u32*)arg; //gpio端口设置 gpio_inittypedef gpio_initstructure; usart_inittypedef usart_initstructure; rcc_ahb1periphclockcmd(rcc_ahb1periph_gpioa,enable); //使能gpioa时钟 rcc_apb1periphclockcmd(rcc_apb1periph_usart2,enable);//使能usart2时钟 //串口2对应引脚复用映射 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;//复用功能 gpio_initstructure.gpio_speed = gpio_speed_50mhz; //速度50mhz gpio_initstructure.gpio_otype = gpio_otype_pp; //推挽复用输出 gpio_initstructure.gpio_pupd = gpio_pupd_up; //上拉 gpio_init(gpioa,&gpio_initstructure); //usart2初始化设置 usart_initstructure.usart_baudrate = *bound;//波特率设置 usart_initstructure.usart_wordlength = usart_wordlength_8b;//字长为8位数据格式 usart_initstructure.usart_stopbits = usart_stopbits_1;//一个停止位 usart_initstructure.usart_parity = usart_parity_no;//无奇偶校验位 usart_initstructure.usart_hardwareflowcontrol = usart_hardwareflowcontrol_none;//无硬件数据流控制 usart_initstructure.usart_mode = usart_mode_tx; //收发模式 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输出到串口的函数如下:
                              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;}  
这里为了方便直接使用了查询dma状态寄存器,有需要可以修改为dma中断方式,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输出:
使用dma搬运log buffer中数据到串口,同时cpu可以处理其他事情,这种方式对系统影响最小,并且输出log及时,是实际使用中用的最多的方式。并且不仅可以用串口,其他可以用dma操作的接口(如spi、usb)都可以使用这种方法来打印log。
  使用io模拟串口输出log  
最后要讨论的是在一些封装中没有串口,或者串口已经被用作其他用途时如何输出log,这时可以找一个空闲的普通io,模拟uart协议输出log到上位机的串口工具。
常用的uart协议如下:
只要在确定的时间在io上输出高低电平就可以模拟出波形,这个确定的时间就是串口波特率。
为了得到精确延时,这里使用tim4定时器产生1us的延时。注意:定时器不能重复用,在测试工程中tim2、3都被用了,如果重复用就错乱了。
初始化函数如下:
                                                    u8 simu_log_init(void* arg){ tim_timebaseinittypedef tim_initstructure; u32* bound = (u32*)arg; //gpio端口设置 gpio_inittypedef gpio_initstructure; rcc_ahb1periphclockcmd(rcc_ahb1periph_gpioa,enable); //使能gpioa时钟 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; //推挽复用输出 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时钟 tim_deinit(tim4); tim_initstructure.tim_prescaler = 1; //2分频 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); //根据波特率计算每个bit延时 return 0;}  
使用定时器的delay函数为:
                      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);}  
最后是模拟输出函数,注意:输出前必须要关闭中断,一个byte输出完再打开,否则会出现乱码:
                                            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;}  
介绍了几种开发中使用过的打印调试信息的方法,方法总是死的,关键在于能灵活使用;通过打印有效的调试信息,可以帮助解决开发及后期维护中遇到的问题,少走弯路。
如果是你在项目中,没有串口线你会怎么调试呢?请在评论区说出你的想法。
原文标题:没有串口,如何打印单片机调试信息?
文章出处:【微信公众号:硬件攻城狮】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。


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