RT-Thread-J-Trace入门系列：1）感动人心的功能与更感动人心的售价RT-Thread问答社区

J-Trace入门系列：1）感动人心的功能与更感动人心的售价

发布于 2021-09-18 00:05:19 浏览：2828 订阅该版

[tocm]

## 1. 简介

Jlink 想必大家都用过，相信登录过 segger 官方网站，下载最新的 jlink 驱动程序的时候，都会看到这样的图片：

![jtrace.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20210917/0d79112a235d7229184f30a8d4fa24ab.png.webp)

在兴叹它那离谱的价格的同时，也会好奇这个东西比手里的x版货都有哪些优势和提升。

以上图片是 segger 官方对 J-Trace 的定位：

> 使用基于 segger 领先的 trace 方案 J-Trace PRO 实现对代码的收集、验证、分析功能。利用 Arm Cortex 内核的 trace 功能，在无限时长内，实现对所有指令的跟踪，实现对**偶然出现的、难以被复现的 bug 追踪记录**。
>
> - 在完整的 System Clock 内实时流式传输 trace。
> - 使用在线代码分析功能来精细优化代码。
> - 指令级别的代码覆盖率检测，为满足安全性规约约束的需求。
> - 无限制的 trace 追踪，实现隔离和识别潜在的代码缺陷。
> - 完整的 J-Link 调试功能

可以看出它最大的卖点就在 arm trace 的信号流捕捉和分析，实现代码的精确流程跟踪，有了精确的代码跟踪，就可以借助 Ozone 工具提供**实时**分析代码覆盖率、指令回溯、CPU 资源监控等功能。

![ozone_tracefeatures.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20210917/f9b51be809dff21585f902dae8461f0f.png)

这么多优点，配合强大的 Ozone 调试平台，code coverage 实时统计，一键生成报表，boom。仿佛那最后的 bug 就可以用它来反复蹂躏、踩在脚底...感动人心！直到看到售价：

>Price: €1,980 EUR

这个价格可以买一台高配的 MacBook 了，但对比其他支持trace接口的调试器来说，性价比出众，例如 [trace32](http://www.lauterbach.cn/product_recommended_zh.html)。

## 2. 物理连接

![jtrace-pinout.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20210917/27abf9be38a446821e9d337633d74a2f.png)

如图所示 segger 的 19 pin trace 接口（1.27mm 牛角），在 JTAG 基础上增加了 5 条 trace 线（4 条数据线 + 1 条时钟线，双边沿模式(DDR))。

有一点要注意一下，不要把两个接口都接到板子上：

![notice_conn.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20210917/dddb77263e0629110c7696b5608f764b.png.webp)

> Note: Never connect trace cable and JTAG cable at the same time because this may lead tounstable debug and trace connections.
>
> 注意：不要同时使用 trace 连接线和 JTAG 连接线，这将导致 debug 和 trace 的不稳定现象。

参考：[《UM08001: J-Link / J-Trace User Guide》](https://www.segger.com/downloads/jlink/UM08001)

## 3. 打钱

既然本篇目主要介绍 J-Trace 的入门教程，自然就需要有这么一台设备支持一下了。

**三句话，让老板为我花了1W8**，终于拿到它：

![jtracePro.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20210917/da2a8afc47c0e2d2592342a56ed1c209.png.webp)

你要问盒子里有没有跳线帽，这个真没有：

![jtracePro2.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20210917/a3e2580f5149b456a5e9eac884c0213b.png.webp)

可以看见这个板子使用了 ARM cortex A9 + FPGA 的 Zynq-7010 作为主控，通过 Zynq 专有总线与赛普拉斯 CYUSB3011  USB3.1 控制器连接，CYUSB3011 内部也具备一颗 ARM926 200MHz 的控制核心，用于协调 USB3.1 高速传输协议。

周边还有美满的千兆 phy 收发器，芯成的LPDDR2 128MBytes 533Mhz，用于高速收发和缓冲 trace packet，对于电脑主机来说尽量配备大内存和独立的 USB3.0 接口。

外围就是一些电平转换电路和电源了，都是 TI 的一些常见型号，总的来看 JTAG 和 trace port 的逻辑由 FPGA 硬件逻辑实现，当作 J-Link 可以用 zui 高速调试，下载效果要好很多。

## 4. 什么是 Trace

在上一节我们简单介绍了 J-Trace ，至于为什么三句话说服了老板，我们还是要以专业视角看 trace 的引入能够解决哪些实际的问题。

J-Trace 的标准包装很“贴心”地赠送了一张 STM32F407 核心板，它用的不是标准 Jtag 接口，而是支持 Trace 的接口，我们可以像官网那样去连接和测试 Trace 功能：
![J-Trace-connection.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20210918/da39f3c2807fc328a63aa35ab61ded7b.png.webp)

翻看 STM32F407 的 RM（RM0090.pdf） 手册，找到 Debug support 章节，可以看见 芯片内部负责 Debug 的系统框图：

![rm0090_dbg.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20210918/13ae91addeeda34db99b230b5c2e7dad.png.webp)

可以看见我们主要关注且日常见到的一些片上调试模块：

- **SWJ-DP**: Serial wire / JTAG debug port
- AHP-AP: AHB access port
- ITM: Instrumentation trace macrocell
- FPB: Flash patch breakpoint
- DWT: Data watchpoint trigger
- **TPUI**: Trace port unit interface
- **ETM**: Embedded Trace Macrocell

以及文中提及到，STM32F4xx 系列支持的扩展功能：

- Flexible debug pinout assignment
- MCU debug box (support for low-power modes, control over peripheral clocks, etc.)

归纳一下就是：

| 模块   | 功能                                                         | 常用程度 |
| ------ | ------------------------------------------------------------ | -------- |
| SWJ-DP | SWD/JTAG 物理接口桥，提供调试链路                            | 必用     |
| AHP-AP | AHB 总线连接桥，提供调试接口                                 | ---      |
| ITM    | 指令跟踪宏单元，可输出 printf 信息流或由 DWT 生成数据流或调试时间戳 | 偶尔使用 |
| FPB    | Flash 补丁和断点单元，提供硬件断点或对代码空间实现重映射     | 常用     |
| DWT    | 数据窗口触发器，负责数据流监听与追踪                         | 偶尔使用 |
| TPUI   | 追踪端口界面单元，为 trace port 提供同步/非同步物理输出信号  | 几乎不用 |
| ETM    | 嵌入式追踪宏单元，提供CPU实时执行信息                        | 几乎不用 |

SWJ-DP 这个大家都熟悉，不必介绍，其他的也许使用过，但多数情况下我们不会在意它们的存在。

ITM 可以支持 SWO 输出调试，挖个坑下回填。

很多定位中低端的MCU就直接丢弃掉 Trace Port 相关电路单元了，加上对外接调试设备的高要求（**贵**）以至于很多工程师并不知道 ARM Cortex 上其实还有 JTAG/SWD 之外的调试端口。

本文重心围绕指令追踪，我们重点来看 ETM：

> 对于ETM，需要了解：
> - ETM 的主要任务是帮助开发者重建程序执行序列，CPU 上所有指令的执行都可以被 ETM 追踪到。
> - 数据可由 DWT 或者 ITM 单元追踪到。

Embedded Trace Macrocell (ETM) 提供结合了 ARM 的调试和追踪机制，它可以做到在不干扰 CPU 的情况下获取 CPU 的运行状态，一旦捕捉到，便实时通过特定的 Trace 端口向外输出。

具备 ETM 模块的 MCU 可以实现详尽的指令执行历史记录，这些记录可以作为重现代码流程和执行时间的依据，使用分析软件实现代码分析，借此找到难以复现的bug。最难能可贵的是，它可以帮助我们找到失控的代码的根源所在。

此外，ETM还有更多特性有待进一步了解，比如常见的 ETB、Filter & Package Formatter 等细节属性，有待进一步啃手册了。

更多有关 ETM 资料，请翻阅[《Embedded Trace Macrocell Architecture Specification》](https://developer.arm.com/documentation/ihi0014/q) 、[《ARM CoreSight Architecture Specification》 ](https://developer.arm.com/documentation/ihi0029/e) 、[《ARMv7-M Architecture Reference Manual》](https://developer.arm.com/documentation/ddi0403/ee)

综上，ETM 并不是对外输出的最终形式，在 STM32F4xx RM0090.pdf 中有如下结构：

![rm0090_trace.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20210918/b7b1e9452e09251ba728f947c0c99fa0.png)

可见 ETM 和 ITM 生成 CPU 运行的追踪信息后，由 TPIU 模块执行封包，并使用对外已经连接的序列器输出，由这张图片可以得出以下结论：

| Trace 连接方式       | 线路数量         | 连接成本                              |
| -------------------- | ---------------- | ------------------------------------- |
| TRACE over SWO       | 1条              | 低，支持 SWO 的普通 Debugger 就可支持 |
| TRACE over TracePort | 至少2条，5条最佳 | 高，仅高端 Debugger 支持              |

终于涉及到物理层连接了，自然就会引出物理连接概念：**Trace signal timing （追踪信号时序）**

上一章节我们知道 ETM 信息是可以和 CPU 同频的，以达到最佳的指令追踪覆盖效果，对于 Cortex-M 架构，ARM 有如下定义：

> trace 时钟往往是 1/2 的 CPU 时钟，但是 trace data 线路可以是 DDR （双倍速率-亦称上升下降沿）方式通信，通常 data 线有4条，意味着一个 trace 时钟周期可以输出1个字节的 trace 数据。

trace 硬件接入，笔者经验总结：

如今 MCU 主频也在不断递进，为了保持高速的 trace 也必然对线路阻抗与信号输出能力提出了更苛刻的要求。由于是 DDR 方式地获取追踪数据，所以在 Layout 上就需要做好等长，为了保证良好的 trace 稳定性，也应当从 **MCU IO 翻转输出能力**和**CPU主频**两个角度的上限妥协一个较为稳定的时钟速率。

由于是高速 DDR 信号，时序上要尽量满足以下要求：

![trace_clock_type_1.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20210918/6843401c4e95507118047a654dfc467f.png)

Trace CLK 作为时钟基准，如上图所示 Trace Data 被时钟上升或下降沿一分为二（50%占空比）是最佳的信号效果，如果 Trace Data 出现了较多的超前或者滞后，也可以在 Ozone 中设置延迟补偿，这里不过多介绍了。

## 5. 总结

- Trace 能够帮助解决面向过程测试中，以不干扰CPU正常运行为前提，揭示程序运行踪迹，解决最麻烦的bug。
- Trace 辅助工具可以实现代码分析与实时覆盖率统计，帮助我们以直观运行视角，揭示代码优化方向。

这套工具除了贵没别的不好，Ozone 调试功能强大且好用，它是免费的，只需要有 J-Link 就行。

下一篇我会介绍 J-Trace 的具体使用过程，展示 RT-Thread 在 trace 上的效果，敬请期待。