Отладка микроконтроллеров ARM Cortex-M по UART

Введение

Знали ли вы что ядра ARM Cortex-M в микроконтроллерах могут отлаживать сами себя?
Оказывается могут.

Читая Technical Reference Manual на ядро Cortex M3 обнаружил что у него есть прерывание DebugMon. Далее проанализировал все регистры с ним связанные. В итоге выяснил что МК может попадать в это прерывание при условии равенства регистра PC и одного из регистров FP_COMP.
Это означает что мы можем устанавливать точки останова в отлаживаемой прошивке. Так-же можно принудительно вызывать прерывание DebugMon установив бит MON_PEND регистра DEMCR в 1.

Проверка теории

Так как данные регистры присутствуют во всём семействе ядер ARM Cortex-M, возьмем первую попавшуюся отладочную плату. У меня это оказалось stm32f723e-disco. Для того чтобы не тратить время на написание инициализационного кода периферии, используем CubeMX
Из периферии нам понадобится лишь UART6, соединенный с ST-Link’ом и светодиод на плате:

Настройки в CubeMX

Генерируем проект и сразу открываем его IDE.

Для того чтобы не запутаться в регистрах связанных с отладкой, сразу введем для них определения в коде:

#define DHCSR (*(uint32_t*)0xE000EDF0) #define DCRSR (*(uint32_t*)0xE000EDF4) #define DCRDR (*(uint32_t*)0xE000EDF8) #define DEMCR (*(uint32_t*)0xE000EDFC)  #define NUMOFBKPTS 8  typedef struct {   uint32_t FP_CTRL;   uint32_t FP_REMAP;   uint32_t FP_COMP[NUMOFBKPTS]; } fp_t;  #define FP ((fp_t*)0xE0002000) 

Для проверки что наш проект в принципе работает, пишем код, мигающий светодиодом:

  while (1)   {     for (int i=0;i<1000000;i++)       asm("nop");          HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA,GPIO_PIN_7);   } 

Светодиод успешно заморгал, значит проект успешно компилируется и запускается.

Добавляем в этот цикл строчку:

asm("BKPT #0"); 

Эта ассемблерная вставка является программной точкой останова. Теперь при отладке через ST-Link программа всегда будет останавливаться на этой строчке. Выходим из Debug в IDE и светодиод начинает моргать как и раньше.

Но что нам это дало?

А то что мы можем отлавливать точку останова прерыванием DebugMon.

Пишем его обработчик:

void DebugMon_Handler(void) {   while (1)   {     if ((USART6->ISR & USART_ISR_TXE) != 0U)     {       USART6->TDR = '!';     }   } } 

Компилируем, прошиваем и ничего не изменилось. Чтобы разрешить работу прерывания DebugMon, нужно поднять бит MON_EN в регистре DEMCR.

Теперь при отладке через ST-Link программа будет останавливаться как и раньше на этой строчке. Как только мы выйдем из режима отладки, в терминале начнут появляться восклицательные знаки:

Вывод терминала

Далее проверяем тоже самое с регистром FP_COMP.

Находим адрес любой инструкции в цикле функции main средствами IDE и активируем точку останова:

FP->FP_COMP[0] = 0x080017CC | 1; // адрес середины бесконечного цикла = 0x080017CC 

При отключенном аппаратном отладчике, микроконтроллер тоже попадает в прерывание DebugMon.

Как это можно использовать

С помощью вышеприведенных регистров и прерывания DebugMon возможно реализовать отладку микроконтроллера без SWD/JTAG отладчика. Так-же становится возможным отлаживать прошивку устройства, с которым есть связь, но доступ к выводам SWD затруднен.

Продолжение следует…