嵌入式MCU调试过程中几种指令跟踪调试功能的实现方式

侵入式调试和非侵入式调试

在嵌入式应用的开发过程中，需要通过调试来解决程序运行过程中出现的问题，根据是否会打断程序的“全速运行状态”，调试方式可以分为侵入式调试和非侵入式调试两类。

侵入式调试手段如下：

• 停机以及单步执行程序

• 硬件断点和断点指令（BKPT）

• 变量数据观察点（Watch观察窗口）

• 访问寄存器的值

• 调试监视器异常

非侵入式调试手段如下：

• 在内核运行的时候访问存储器

• 指令跟踪，需要硬件包含指令跟踪单元（ETM）

通常情况下，我们采用的是侵入式调试，但这种调试会打破程序的全速运行状态。非侵入式调试则可以在保证程序全速运行的情况下，了解程序运行的情况。在调试大型软件和RTOS多任务系统，或者与通信时序相关的应用时（非侵入式调试会破坏通信时序），应用代码可能突然跑飞或者产生异常中断，而导致问题的原因可能难以发现。

此时非侵入式调试如指令跟踪这样的功能就有着不可比拟的作用。指令跟踪能够记录问题发生之前MCU内部的指令执行历史记录，这些信息可以帮助开发者回溯问题现场来准确定位问题发生的原因。

指令跟踪的实现方式

在嵌入式MCU调试中指令跟踪存在多种实现方式，通过对比我们将能够更清楚的了解Segger J-Trace Pro产品流模式指令跟踪功能的强大之处。

（1）使用MCU片上缓存实现指令跟踪

一些MCU内部包含指令缓存区域，缓存区域依据不同芯片型号命名可能有所不同，例如Embedded Trace Buffer（ETB），Micro Trace Buffer（MTB）,Embedded Trace FIFO（ETF）等。指令跟踪记录被保存在该片上区域，当程序停止运行时，PC端调试软件读取该区域内数据以获取指令跟踪数据。

使用该方式实现指令跟踪存在的限制：

• 片上的缓存空间很小，通常缓存空间大小只有kb级别

• 只能记录非常有限的指令执行历史记录

（2）使用调试器内部缓存进行指令跟踪

另外一种实现指令跟踪的方式是调试器内部提供指令缓存空间，缓存空间大小可能为MB到GB级别，但受限于调试器本身的硬件实现成本，调试器内部所能够提供的缓存空间同样不会很大。

该方式实现指令跟踪存在的限制：

• 片上的缓存空间为MB到GB范围

• 能记录有限的指令执行历史，但无法记录从应用开始执行到出现异常的全过程指令记录

• 通常需要暂停应用运行后，PC端软件才会读取缓存在调试器中的Trace数据

Segger J-Trace Pro流模式指令跟踪

前面的两种实现方式都因为缓存空间大小的影响而有其使用局限性，Segger J-Trace Pro产品则使用流模式的方式解决了前面两种方式存在的问题，能够给开发者带来成熟的指令跟踪解决方案。J-Trace Pro在SWD/JTAG调试接口引脚之外，与芯片通过额外的跟踪功能引脚连接，包括Trace时钟和数据传输引脚，MCU内部ETM模块中记录的指令通过J-Trace Pro以流模式的方式实时传输到PC端，此时指令的缓存空间在PC电脑端，因此最大的缓存空间甚至可以达到TB级别，彻底解决了前面两种实现方式所存在的局限性。

J-Trace Pro支持通过流模式实时的将指令跟踪数据传输到电脑端，该方案还带来了如下优势：

• 指令缓存空间大小取决于电脑硬盘大小（TB级别）

• 能够记录应用从开始执行到出现异常的完整指令过程

• 能够记录用户与应用程序发生交互行为中的指令执行过程

• 提供的其他高级调试功能：

实时代码覆盖率分析

实时的代码执行情况分析

本文介绍了嵌入式MCU调试过程中几种指令跟踪调试功能的实现方式，对比可以发现Segger J-Trace Pro产品的解决方案具有明显优势，此外Segger还提供了配套的调试软件Ozone，能够提供强大的指令跟踪调试功能

审核编辑 ：李倩