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[STM32F1] 没有串口，如何打印单片机调试信息？

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 楼主| 10299823 发表于 2025-4-18 21:41 | 显示全部楼层 |阅读模式
调试, 串口, 单片机, ma, DMA, DM
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:
复制
  1.  typedef struct {
    

  2.    volatile u8     type;
    

  3.    u8*             buffer;             /* log buffer指针*/
    

  4.    volatile u32    write_idx;          /* log写入位置*/
    

  5.    volatile u32    read_idx;           /* log 读取位置*/
    

  6. }log_dev;



定义一段SRAM空间作为log buffer
复制
  1.  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 <stdio.h>, 在代码中实现函数fputc()。
复制
  1. //redirect fputc
    

  2. int fputc(int ch, FILE *f)
    

  3. {
    

  4.     print_ch((u8)ch);
    

  5.     return ch;
    

  6. }




写入数据到Sram：
复制

  1. 

  2.  /*write log to bufffer or I/O*/
    

  3. void print_ch(u8 ch)
    

  4. {
    

  5.     log_dev_ptr->buffer[log_dev_ptr->write_idx++] = ch;
    

  6.     if(log_dev_ptr->write_idx >= LOG_MAX_LEN){
    

  7.         log_dev_ptr->write_idx = 0;
    

  8.     }
    

  9. }




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：
复制

  1. 

  2. #ifdef DEBUG_LOG_EN
    

  3. #define DEBUG(...)      printf("usb_printer:"__VA_ARGS__)
    

  4. #else
    

  5. #define DEBUG(...)
    

  6. #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：
复制

  1. 

  2.  typedef struct{
    

  3.     u8 (*init)(void* arg);
    

  4.     u8 (*print)(u8 ch);
    

  5.     u8 (*print_dma)(u8* buffer, u32 len);
    

  6. }log_func;
    


  7. 

  8. typedef struct {
    

  9.     volatile u8     type;
    

  10.     u8*             buffer;
    

  11.     volatile u32    write_idx;
    

  12.     volatile u32    read_idx;
    

  13.     //SWO
    

  14.     log_func*       swo_log_func;
    

  15. }log_dev;


SWO只需要print操作函数，实现如下：
复制
  1. u8 swo_print_ch(u8 ch)
    

  2. {
    

  3.     ITM_SendChar(ch);
    

  4.     return 0;
    

  5. }




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。
/
复制
  1. *output log buffer to I/O*/
    

  2. void output_ch(void)
    

  3. {   
    

  4.     u8 ch;
    

  5.     volatile u32 tmp_write,tmp_read;
    

  6.     tmp_write = log_dev_ptr->write_idx;
    

  7.     tmp_read = log_dev_ptr->read_idx;
    


  8. 

  9.     if(tmp_write != tmp_read){
    

  10.             ch = log_dev_ptr->buffer[tmp_read++];
    

  11.             //swo
    

  12.             if(log_dev_ptr->swo_log_func)
    

  13.                     log_dev_ptr->swo_log_func->print(ch);
    

  14.             if(tmp_read >= LOG_MAX_LEN){
    

  15.                     log_dev_ptr->read_idx = 0;
    

  16.             }else{
    

  17.                     log_dev_ptr->read_idx = tmp_read;
    

  18.             }
    

  19.     }
    

  20. }




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：
复制

  1. 

  2. typedef struct {
    

  3.     volatile u8     type;
    

  4.     u8*             buffer;
    

  5.     volatile u32    write_idx;
    

  6.     volatile u32    read_idx;
    

  7.     volatile u32    dma_read_idx;
    

  8.     //uart
    

  9.     log_func*       uart_log_func;
    

  10.     //SWO
    

  11.     log_func*       swo_log_func;
    

  12. }log_dev;



实现串口驱动函数：
复制

  1. 

  2. log_func uart_log_func = {
    

  3.     uart_log_init,
    

  4.     uart_print_ch,
    

  5.     0,
    

  6. };



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：
复制

  1. 

  2. u8 uart_log_init(void* arg)
    

  3. {
    

  4.     DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
    

  5.     u32* bound = (u32*)arg;
    

  6.     //GPIO端口设置
    

  7.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    

  8.     USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    


  9. 

  10.     RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE); //使能GPIOA时钟
    

  11.     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2,ENABLE);//使能USART2时钟
    

  12.     //串口2对应引脚复用映射
    

  13.     GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource2,GPIO_AF_USART2);
    

  14.     //USART2端口配置
    

  15.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
    

  16.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//复用功能
    

  17.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;   //速度50MHz
    

  18.     GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽复用输出
    

  19.     GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; //上拉
    

  20.     GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
    

  21.  //USART2初始化设置
    

  22.     USART_InitStructure.USART_BaudRate = *bound;//波特率设置
    

  23.     USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长为8位数据格式
    

  24.     USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一个停止位
    

  25.     USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//无奇偶校验位
    

  26.     USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件数据流控制
    

  27.     USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx; //收发模式
    

  28.     USART_Init(USART2, &USART_InitStructure); //初始化串口1
    

  29. #ifdef LOG_UART_DMA_EN  
    

  30.     USART_DMACmd(USART2,USART_DMAReq_Tx,ENABLE);
    

  31. #endif  
    

  32.     USART_Cmd(USART2, ENABLE);  //使能串口1 
    

  33.     USART_ClearFlag(USART2, USART_FLAG_TC);
    

  34.     while (USART_GetFlagStatus(USART2, USART_FLAG_TC) == RESET);
    

  35. #ifdef LOG_UART_DMA_EN
    

  36.     RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA1, ENABLE);
    

  37.     //Config DMA channel, uart2 TX usb DMA1 Stream6 Channel
    

  38.     DMA_DeInit(DMA1_Stream6);
    

  39.     DMA_InitStructure.DMA_Channel = DMA_Channel_4;
    

  40.     DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)(&USART2->DR);
    

  41.     DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_MemoryToPeripheral;
    

  42.     DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
    

  43.     DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
    

  44.     DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
    

  45.     DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
    

  46.     DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;
    

  47.     DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
    

  48.     DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Disable; 
    

  49.     DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_Single;
    

  50.     DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single;
    

  51.     DMA_Init(DMA1_Stream6, &DMA_InitStructure);
    

  52.     RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA1, ENABLE);
    

  53. #endif
    

  54.     return 0;
    

  55. }



DMA输出到串口的函数如下：
复制

  1. 

  2. u8 uart_print_dma(u8* buffer, u32 len)
    

  3. {
    

  4.         if((DMA1_Stream6->CR & DMA_SxCR_EN) != RESET){
    

  5.                 //dma not ready
    

  6.                 return 1;
    

  7.         }
    

  8.         if(DMA_GetFlagStatus(DMA1_Stream6,DMA_IT_TCIF6) != RESET){
    

  9.                 DMA_ClearFlag(DMA1_Stream6,DMA_FLAG_TCIF6);
    

  10.                 DMA_Cmd(DMA1_Stream6,DISABLE);
    

  11.         }
    

  12.         DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Stream6,len);
    

  13.         DMA_MemoryTargetConfig(DMA1_Stream6, (u32)buffer, DMA_Memory_0);
    

  14.         DMA_Cmd(DMA1_Stream6,ENABLE);
    

  15.         return 0;
    

  16. }



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：
复制

  1. 

  2. u8 simu_log_init(void* arg)
    

  3. {
    

  4.     TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_InitStructure;  
    

  5.     u32* bound = (u32*)arg;
    

  6.     //GPIO端口设置
    

  7.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    

  8.     RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE); //使能GPIOA时钟
    

  9.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
    

  10.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
    

  11.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;   //速度50MHz
    

  12.     GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽复用输出
    

  13.     GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; //上拉
    

  14.     GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
    

  15.     GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
    

  16.     //Config TIM
    

  17.     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4,ENABLE); //使能TIM4时钟
    

  18.     TIM_DeInit(TIM4);
    

  19.     TIM_InitStructure.TIM_Prescaler = 1;        //2分频
    

  20.     TIM_InitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    

  21.     TIM_InitStructure.TIM_Period = 41;          //1us timer
    

  22.     TIM_InitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    

  23.     TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_InitStructure);
    

  24.     TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);
    

  25.     baud_delay = 1000000/(*bound);          //根据波特率计算每个bit延时
    

  26.     return 0;
    

  27. }



使用定时器的delay函数为：
复制

  1. 

  2. void simu_delay(u32 us)
    

  3. {
    

  4.     volatile u32 tmp_us = us;
    

  5.     TIM_SetCounter(TIM4, 0);
    

  6.     TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
    

  7.     while(tmp_us--){
    

  8.         while(TIM_GetFlagStatus(TIM4, TIM_FLAG_Update) == RESET);
    

  9.         TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);
    

  10.     }   
    

  11.     TIM_Cmd(TIM4, DISABLE);
    

  12. }



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：
、
复制
  1. u8 simu_print_ch(u8 ch)
    

  2. {
    

  3.    volatile u8 i=8;
    

  4.    __asm("cpsid i");
    

  5.    //start bit
    

  6.    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
    

  7.    simu_delay(baud_delay);
    

  8.    while(i--){
    

  9.            if(ch & 0x01)
    

  10.                GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
    

  11.            else
    

  12.                GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
    

  13.            ch >>= 1;
    

  14.            simu_delay(baud_delay);
    

  15.    }
    

  16.    //stop bit
    

  17.    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
    

  18.    simu_delay(baud_delay);
    

  19.    simu_delay(baud_delay);
    

  20.    __asm("cpsie i");
    

  21.    return 0;
    

  22. }




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。

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