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使用Fast Model的ITM功能trace Cortex-M 软件

feng
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ARM Fast model 最近release的版本中HighLight了这样一条Feature：ITM support added to Cortex-M Fast Models。本文帮助你更好的理解这个feature的作用并带你如何实际使用它。
 
ITM通常用来方便应用程序和操作系统的打印printf()输出及事件记录。Fast Model系统一般使用Semihost或者UART模型来提供软件运行时的字符与文件I/O功能。从Fast Model11.1版本开始，Cortex-M的Fast Model提供了使用ITM（Instrumentation Trace Macrocell ）进行打印输出和事件记录的选项。从而使得模型与硬件上的软件开发等效。
 
ITM 好处
 
Fast Model支持ITM的最大好处是使得虚拟原型上运行的软件镜像与FPGA原型完全一致。在Cortex-M项目中，软件工程师经常在模型与开发板之间来回切换，使用相同的软件大大降低了平台切换的复杂度及时间成本。因为基于目标板的源代码修改相关的额外维护成本，对开发者而言并不希望看到。
 
使用ITM同时也比用一个UART要快，因为在Cortex-M处理器里，写ITM相当于一个32位的内部寄存器写操作。而配置UART则需要额外的总线时间且对系统性能影响更多。这个在Fast Model上影响并不大，因为Fast Model提供功能软件执行不提供周期级的时序细节。类似的，Semihosting在模型上也可以很好工作，但在FPGA目标板上却要慢，因为CPU执行semihosting操作时会因为数据传输而停下来。Semihosting同时也依赖工具链，不同的debugger和compiler的程序也不同。
 
使用ITM对不用标准C函数库的Cortex-M软件用户来说更有利。很多工程有存储限制且为了完全可控要求所有代码从头写起。这种情况下，实现Semihosting因为对标准C库的依赖而需要花费更大精力。
 
有些Cortex-M系统也没有UART，但依然可以使用ITM来实现printf()输出。
 
Keil MDK用户非常习惯uVision中使用Debug Viewer方便的访问ITM。现在同样的软件可以在Fast Model上运行。下面我们看一个Cortex-M4的例子。
 
Cortex-M4 Fast Model例子中使用ITM
 
Fast Model上使用MTI的两项准备工作：
 
第一，模型参数TRACE_LVL要设置成true。这个参数默认值就是true，Fast Model reference Manual提供了这些参数的详细信息。
第二，需要一个model trace interface (MTI )plugin来获取ITM包。Fast Model上使用ITM需要一个Plugin，类似硬件里使用串行输出serial wire output (SWO)来发送信息包。
 
MTI Plugin基于C++创建，在Fast Model示例目录下的MTI文件夹提供了参考例子。本文演示一个使用MTI的plugin，同时提供参考代码以供修改。这里使用一个基于Cortex-M4的最小系统，示例运行在Ubuntu 16.04使用GNU gcc5.4做为C++编译器。不过也可以在任何Fast Model支持的平台和编译环境运行。
 
 
上述最小系统的LISA代码如下。要创建工程，可以在Fast Model canvas（sgcanvas）中使用File -> New Project再用如下代码存为.lisa文件来创建。
 
 
点击Build按钮编译完例子系统后，再使用“list trace sources” plugin来运行isim_system可执行程序，同时将输出重定向到一个文件来检查所有可trace的资源：
 
 
打开得到的trace资源文件，查找ITM。Trace资源数量巨大，ITM只是Cortex-M4模型trace资源的一部分。
 
 
ITM_PACKET_TYPE是ITM用于printf()功能的资源。一个source trace package的PACKET_HEADER格式如下。 关于包格式的完整信息请参考CoreSight technical reference manual。
 
 
PACKET_PAYLOAD包含被写进ITM port的数据。对于message而言，就会被打印为字符或者软件想要传送的其他格式。
 
本文附带了一个用于ITM的参考MTI plugin，是基于$PVLIB_HOME/examples/MTI/SimpleTrace plugin的PC trace plugin修改而来。同时附带的Makefile和Visual Studio工程文件用于编译示例plugin。
 
示例ITM trace plugin加入了一个名为trace-file的参数用来表示获取的ITM输出文本文件的基准名称。文本文件基于每个激励端口创建，每个端口输出会生成一个不同文件。默认只是输出到stdout。对于使用单一激励端口的printf()类型足够了。
 
Plugin编译准备好后，便可以使用到例子系统中。想要看到基于plugin的任何ITM行为，还需要相应的使用了ITM的软件应用。
 
示例软件
 
使用ITM的软件程序，创建方式有很多种，最简单的一种是使用标准C函数库直接将printf()重定向到ITM。这跟将输出重定位到UART的方式类似。这里使用ARM编译器为例，具体步骤如下：
 
  • 使用编译器pragma关闭使能Semihosting
  • 实现一个定制的fputc()函数将字符从printf()传至ITM
  • 首次调用printf()之前配置使能ITM
 
ITM寄存器的编程模型可以在每个Cortex-M技术参考文档中找到。ARMv6-M与ARMv7-M文档也提供了ITM的额外有用信息。
 
fputc()实现代码如下：
 
 
下面代码配置与使能ITM，并在首次调用printf()前调用call ITM_init()。
 
 
完整应用程序包括在文末附件中。
应用程序运行在Fast Model系统并加入ITM trace plugin时，printf()输出会出现在stdout。表面上看，跟semihosting毫无差别，但其实使用的是Fast Model ITM的功能。
 
 
总结
 
从Fast Model11.1版本开始，Cortex-M Fast Model提供了对ITM的支持，从而使得在模型与硬件FPGA甚至硅片上的软件开发等效。嵌入式软件工程师可以得益于这种新的模型技术，在不同目标系统上使用同样的软件镜像。这使得模型与开发板间的切换更容易，从而最大限度的提高效率和灵活性。
如果你还没用过Fast Model做软件开发，请点击按钮申请评估。
cortex-m4-itm-example.tar.gz
Anonymous
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