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【经验分享】不用串口，如何打印STM32单片机log

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STMCU小助手 发布时间：2022-6-25 21:26
本文主要介绍在嵌入式开发中用来输出log的方法。
    最常用的是通过串口输出uart log，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

    下文来讨论这些问题。
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:

`[MZD2GGV5_]%LDOR}(`Q9M.png

    定义一段SRAM空间作为log buffer:
  1. static u8 log_buffer[LOG_MAX_LEN];
复制代码

    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（Keil）：

IPZ0)I)IV2OT7`P7S4Y84`G.png

    并包含头文件#include <stdio.h>, 在代码中实现函数fputc()：

%HL}TK2K[5Z[6M2@`Q3LNFJ.png

    写入数据到SRAM：

56I3XEKAFO3]AIQ_T(2@[%R.png

    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。

HK)GH4RQ[6ZVUH~2SMP}8QW.png

    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：
)G2JS3VS}%JUDW6@](Q@}OY.png

2 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。查看原理图f407 discovery的SWO已经连接了，否则需要自己飞线连接：

M68]H``$_$`Z_BYG5GM3BDG.png

    在log结构体中添加SWO的操作函数集：
  1. typedef struct
  2. {
  3.     u8 (*init)(void* arg);
  4.     u8 (*print)(u8 ch);
  5.     u8 (*print_dma)(u8* buffer, u32 len);
  6. }log_func;

  8. typedef struct
  9. {
  10.     volatile u8     type;
  11.     u8*             buffer;
  12.     volatile u32    write_idx;
  13.     volatile u32    read_idx;
  14.     //SWO
  15.     log_func*       swo_log_func;
  16. }log_dev;
复制代码


    SWO只需要print操作函数，实现如下：
  1. u8 swo_print_ch(u8 ch)
  2. {
  3.     ITM_SendChar(ch);
  4.     return 0;
  5. }
复制代码

    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。

  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;

  9.     if(tmp_write != tmp_read)
  10.     {
  11.         ch = log_dev_ptr->buffer[tmp_read++];
  12.         //swo
  13.         if(log_dev_ptr->swo_log_func)
  14.             log_dev_ptr->swo_log_func->print(ch);
  15.         if(tmp_read >= LOG_MAX_LEN)
  16.         {
  17.             log_dev_ptr->read_idx = 0;
  18.         }
  19.         else
  20.         {
  21.             log_dev_ptr->read_idx = tmp_read;
  22.         }
  23.     }
  24. }
复制代码


2.1 通过IDE输出
    使用IDE中SWO输出功能需要做如下配置（Keil）：

3]RZ~A@5@D[PFM7J}_KE99E.png

    在窗口可以看到输出的log：

C07SNO_6]9T{AUHNAIHOY9Y.png

2.2 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：

AFSE[2@$ERR4BY49(Z@5.png

3 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：
  1. typedef struct
  2. {
  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;
复制代码

    实现串口驱动函数：

}D@X$K55BOY4T~N`5$FJAGO.png

    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。串口及DMA初始化函数如下：
  1. u8 uart_log_init(void* arg)
  2. {
  3.     DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
  4.     u32* bound = (u32*)arg;
  5.     //GPIO端口设置
  6.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  7.     USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

  9.     RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE); //使能GPIOA时钟
  10.     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2,ENABLE);//使能USART2时钟
  11.     //串口2对应引脚复用映射
  12.     GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource2,GPIO_AF_USART2);
  13.     //USART2端口配置
  14.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
  15.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//复用功能
  16.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;   //速度50MHz
  17.     GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽复用输出
  18.     GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; //上拉
  19.     GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
  20.     //USART2初始化设置
  21.     USART_InitStructure.USART_BaudRate = *bound;//波特率设置
  22.     USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长为8位数据格式
  23.     USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一个停止位
  24.     USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//无奇偶校验位
  25.     USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件数据流控制
  26.     USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx; //收发模式
  27.     USART_Init(USART2, &USART_InitStructure); //初始化串口1
  28.     #ifdef LOG_UART_DMA_EN  
  29.     USART_DMACmd(USART2,USART_DMAReq_Tx,ENABLE);
  30.     #endif  
  31.     USART_Cmd(USART2, ENABLE);  //使能串口1
  32.     USART_ClearFlag(USART2, USART_FLAG_TC);
  33.     while (USART_GetFlagStatus(USART2, USART_FLAG_TC) == RESET);
  34.     #ifdef LOG_UART_DMA_EN
  35.     RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA1, ENABLE);
  36.     //Config DMA channel, uart2 TX usb DMA1 Stream6 Channel
  37.     DMA_DeInit(DMA1_Stream6);
  38.     DMA_InitStructure.DMA_Channel = DMA_Channel_4;
  39.     DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)(&USART2->DR);
  40.     DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_MemoryToPeripheral;
  41.     DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
  42.     DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
  43.     DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
  44.     DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
  45.     DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;
  46.     DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
  47.     DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Disable;
  48.     DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_Single;
  49.     DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single;
  50.     DMA_Init(DMA1_Stream6, &DMA_InitStructure);
  51.     RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA1, ENABLE);
  52.     #endif
  53.     return 0;
  54. }
复制代码

    DMA输出到串口的函数如下：

Q9CP~6]4F[8T{4D({DG9B$E.png

    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：

O)B5(`CT0GD6ZG0]0FCAPJK.png

    最后在PC端串口助手可以看到log输出：

})45_ZI$E5J(87CW(QL8T_K.png

    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。

4 使用IO口模拟串口输出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：

0M][HOYIX9UJS`FE@Z{]M0P.png

    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：
  1. u8 simu_log_init(void* arg)
  2. {
  3.     TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_InitStructure;  
  4.     u32* bound = (u32*)arg;
  5.     //GPIO端口设置
  6.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  7.     RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE); //使能GPIOA时钟
  8.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
  9.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
  10.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;   //速度50MHz
  11.     GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽复用输出
  12.     GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; //上拉
  13.     GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
  14.     GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
  15.     //Config TIM
  16.     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4,ENABLE); //使能TIM4时钟
  17.     TIM_DeInit(TIM4);
  18.     TIM_InitStructure.TIM_Prescaler = 1;        //2分频
  19.     TIM_InitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
  20.     TIM_InitStructure.TIM_Period = 41;          //1us timer
  21.     TIM_InitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
  22.     TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_InitStructure);
  23.     TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);
  24.     baud_delay = 1000000/(*bound);          //根据波特率计算每个bit延时
  25.     return 0;
  26. }
复制代码

    使用定时器的delay函数为：

K}R`}0E$D_]SD_3YCVX82JL.png

    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：

  2. u8 simu_print_ch(u8 ch)
  3. {
  4.     volatile u8 i=8;
  5.     __asm("cpsid i");
  6.     //start bit
  7.     GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
  8.     simu_delay(baud_delay);
  9.     while(i--)
  10.     {
  11.         if(ch & 0x01)
  12.         GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
  13.         else
  14.         GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
  15.         ch >>= 1;
  16.         simu_delay(baud_delay);
  17.     }
  18.     //stop bit
  19.     GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
  20.     simu_delay(baud_delay);
  21.     simu_delay(baud_delay);
  22.     __asm("cpsie i");
  23.     return 0;
  24. }
复制代码


    使用IO模拟可以达到与真实串口类似的效果，并且只需要一个普通IO，在小封装芯片上比较使用。


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意法半导体微控制器和微处理器拥有广泛的产品线，包含低成本的8位单片机和基于ARM® Cortex®-M0、M0+、M3、M4、M33、M7及A7内核并具备丰富外设选择的32位微控制器及微处理器。关注该话题即可发布文章！

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