無需物理I/O設(shè)備也能實現(xiàn)printf()功能？了解下Semihosting

時間：2022-09-05 10:46:13

關(guān)鍵字：嵌入式輸出打印信息

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[導(dǎo)讀]在嵌入式世界里，輸出打印信息是一種非常常用的輔助調(diào)試手段，借助打印信息，我們可以比較容易地定位和分析程序問題。在嵌入式應(yīng)用設(shè)計里實現(xiàn)打印信息輸出的方式有很多，本系列將以 IAR 環(huán)境為例逐一介紹 ARM Cortex-M 內(nèi)核 MCU 下打印信息輸出方法。

大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家分享的是**IAR下調(diào)試信息輸出機(jī)制之半主機(jī)(Semihosting)**。

在嵌入式世界里，輸出打印信息是一種非常常用的輔助調(diào)試手段，借助打印信息，我們可以比較容易地定位和分析程序問題。在嵌入式應(yīng)用設(shè)計里實現(xiàn)打印信息輸出的方式有很多，本系列將以 IAR 環(huán)境為例逐一介紹 ARM Cortex-M 內(nèi)核 MCU 下打印信息輸出方法。

上一篇文章《IAR下調(diào)試信息輸出機(jī)制之硬件UART外設(shè)》里我們介紹了利用 MCU 芯片內(nèi)的硬件 UART 外設(shè)去做打印輸出的方式，這種方式很簡單，還可以脫離在線調(diào)試環(huán)境去使用，但畢竟占用了芯片內(nèi)部的外設(shè)資源，而且調(diào)試的時候還需要額外連接串口線路，稍微麻煩了一點。今天痞子衡介紹一種在 IDE 中結(jié)合仿真器直接做打印輸出的方式，即半主機(jī)(Semihosting)技術(shù)。

Note：本文使用的 IAR EWARM 軟件版本是 v9.10.2。

一、打印輸出整體框圖

老規(guī)矩先簡介下本文介紹的打印輸出方法整體軟硬件框圖，硬件上主要是 PC 主機(jī)、MCU 目標(biāo)板、一個 ARM 仿真器（DAP-Link 或者 J-Link 都可以）。

軟件上 PC 這邊就需要 IAR 開發(fā)環(huán)境即可，這里在編譯目標(biāo)板 MCU 應(yīng)用程序時，除了需要包含打印輸出相關(guān)代碼（標(biāo)準(zhǔn) I/O 庫接口），底層接口實現(xiàn)必須選用 IAR 的 Semihosting 庫。當(dāng) MCU 程序運行起來后（需要保持在線調(diào)試狀態(tài)），仿真器實時捕獲代碼里的打印輸出需求，將這種 I/O 訪問需求轉(zhuǎn)移到 PC 主機(jī)上來完成，然后我們在 IAR 的 Terminal I/O 窗口里可以看到打印信息。

上圖里 MCU 應(yīng)用程序中的 printf() 打印輸出需求到底是如何轉(zhuǎn)移到 PC 主機(jī)上 IAR 軟件里去完成的，這是本文要研究的重點。

二、Semihosting機(jī)制原理

Semihosting 中文為半主機(jī)(半托管)，這是一個在嵌入式系統(tǒng)中已經(jīng)流傳了幾十年的技術(shù)。Semihosting 技術(shù)將應(yīng)用程序中的 I/O 請求通過一定的通道傳送到主機(jī)(host)，由主機(jī)上的資源響應(yīng)應(yīng)用程序的 I/O 請求，而不是像在主機(jī)上執(zhí)行本地應(yīng)用程序一樣，由應(yīng)用程序所在的硬件系統(tǒng)來響應(yīng)應(yīng)用程序 I/O請求，簡單說就是將目標(biāo)板的輸入/輸出請求從應(yīng)用程序代碼傳遞到遠(yuǎn)程運行調(diào)試器的主機(jī)上的一種機(jī)制。

ARM 也定義了這種 Semihosting 機(jī)制實現(xiàn)，我們在目標(biāo) ARM 開發(fā)板代碼中加入 printf,scanf 等函數(shù)調(diào)用時，這些函數(shù)并不是鏈接到目標(biāo)開發(fā)板的庫函數(shù)，而是遠(yuǎn)程主機(jī)交叉編譯器中帶有的庫函數(shù)，并且這些庫函數(shù)被編譯時會額外插入軟件中斷指令，早期的 ARMv7 架構(gòu)下軟中斷使用得是 SVC 指令（SWI 指令），而對于 Cortex-M 處理器（ARMv6-M 或者 ARMv7-M 架構(gòu)），這個軟件中斷指令是 BKPT。

我們可以在 ARMv6/7/8-M Architecture RM 手冊里找到 BKPT 指令定義，其中 imm8 是指定存儲在指令中的 8 位值，這個值會被處理器忽略，但是調(diào)試器可以使用它來存儲關(guān)于斷點的附加信息。

如果 BKPT 指令是用于觸發(fā) Semihosting 請求，其 imm8 值應(yīng)該被設(shè)為 0xAB，這是 ARM 的規(guī)定。因此當(dāng)仿真器捕獲到 BKPT #0xab 指令時便會讓主機(jī)響應(yīng)接下來的 I/O 請求。

現(xiàn)在可以觸發(fā) Semihosting 請求了，但是 I/O 請求的種類很多，主機(jī)該如何區(qū)分呢？別擔(dān)心，ARM 還規(guī)定了 R0 寄存器來存放請求的類型（編譯器應(yīng)該在 BKPT 指令前，將請求類型值放到 R0 寄存器里），我們可以在 ARM 開發(fā)者官網(wǎng)找到這些請求類型定義以及詳細(xì)解釋。整個 Semihosting 機(jī)制至此就清楚了，各大 IDE 只需要按照這個規(guī)定去具體實現(xiàn)即可。

https://developer.arm.com/documentation/dui0471/g/Semihosting/Semihosting-operations?lang=en

關(guān)于更詳細(xì)的 Semihosting 機(jī)制，可以參考 SEGGER 整理的一篇博客 https://wiki.segger.com/Semihosting 。

三、IAR 對 Semihosting 機(jī)制的支持

IAR 對 ARM 定義的 Semihosting 機(jī)制是有完善支持的，我們按上一篇的老辦法，看工程編譯鏈接后生成的 .map 文件，找到 IAR 實現(xiàn) Semihosting 的相關(guān)源文件。

3.1 Terminal I/O 查看打印效果

繼續(xù)以上一篇文章使用的 \SDK_2.11.0_EVK-MIMXRT1060\boards\evkmimxrt1060\demo_apps\hello_world\iar 工程為例，簡單改造一下工程里 hello_world.c 文件里的 main() 函數(shù)，將原來代碼全部刪掉（原來的打印輸出涉及恩智浦 SDK 封裝，本文沒必要關(guān)心其實現(xiàn)），只要如下一句打印即可：

#include  int main(void) { printf("hello world.\r\n"); while (1);
}

然后注意工程選項里 Library low-level interface implementation 選項，這里我們選 Semihosted 方式，并且 stdout/stderr 選擇 Via semihosting。這時候底層 I/O 完全由 IAR 內(nèi)置 Semihosting 庫來搞定了。

我們將 MCU 目標(biāo)板供上電，并連接調(diào)試器在線跑起來看看效果，在 IAR 菜單欄 View 里打開 Terminal I/O 窗口，全速運行，可以看到有 hello world. 字樣打印輸出，沒有真實的串口線路物理連接，照樣能實現(xiàn)打印了。

3.2 Semihosting庫I/O響應(yīng)設(shè)計

IAR 的 Terminal I/O 窗口里怎么就能看到打印輸出的呢？我們在 \IAR Systems\Embedded Workbench 9.10.2\arm\doc\EWARM_DevelopmentGuide.ENU 手冊里找到了玄機(jī)，其實是 IAR 里的調(diào)試組件 C-SPY 負(fù)責(zé)響應(yīng)調(diào)試器捕捉到的來自 MCU 的 I/O 訪問需求，并負(fù)責(zé)解釋 Semihosting 庫源碼，然后模擬了對應(yīng) I/O 操作。

3.3 Semihosting庫相關(guān)源碼實現(xiàn)

現(xiàn)在我們再來查看生成的 hello_world.map 文件，除了 dl7M_tln.a 部分多了 XShttio.o 目標(biāo)文件外，還增加了 shb_l.a 庫（里面有一系列 .o 文件），這些增加的 .o 文件均是 Semihosting 庫相關(guān)源碼實現(xiàn)。我們可以在 \IAR Systems\Embedded Workbench 9.10.2\arm\src\lib\semihosting 目錄下找到 XShttio.c 源文件，這個主要是 ARM 標(biāo)準(zhǔn) Semihosting 實現(xiàn)層，但是偏 IAR 這一層的 iarttio.o、iarwrite.o、iarwstd.o 并沒有公開源碼，這可能屬于 IAR 軟件商業(yè)機(jī)密了吧。

*******************************************************************************
*** MODULE SUMMARY
***

    Module                ro code  ro data  rw data
    ------                -------  -------  -------
dl7M_tln.a: [10]
    XShttio.o                   8        8        8
    abort.o                     6
    exit.o                      4
    low_level_init.o            4
    printf.o                   40
    putchar.o                  32
    xfail_s.o                  64                 4
    xprintfsmall_nomb.o     1'281
    xprout.o                   22
    -----------------------------------------------
    Total:                  1'461        8       12

shb_l.a: [13]
    dwrite.o                   30
    exit.o                     20
    iarttio.o                 124
    iarwrite.o                 34
    iarwstd.o                  32
    write.o                    16
    -----------------------------------------------
    Total:                    256

3.4 從反匯編文件看Semihosting實現(xiàn)

最后我們再從工程反匯編文件角度看一下 Semihosting 機(jī)制是不是如第二小節(jié)原理里介紹得那樣，先借助 IAR 小工具 ielfdumparm.exe 將工程可執(zhí)行文件 hello_world.out 轉(zhuǎn)換成反匯編文件 hello_world.dump。

ielfdumparm.exe --source --code .\hello_world.out -o .\hello_world.dump

然后使用任意文本編輯器打開這個反匯編文件 hello_world.dump，在里面搜索 BKPT 指令，確實能夠看到插入了多處軟中斷指令用于觸發(fā) Semihosting，并且軟中斷指令前都裝載了 R0 寄存器，痞子衡截取的片段里 R0 裝載的值是 5，從 ARM 文檔里查詢，這對應(yīng)了 SYS_WRITE 訪問請求。