JTAG 调试

本文将介绍如何安装 ESP32 的 OpenOCD 调试环境，以及如何使用 GDB 来调试 ESP32 的应用程序。

备注

也可以使用 idf.py monitor 来调试 ESP32，免于设置 JTAG 或 OpenOCD。请参阅 IDF 监视器和 CONFIG_ESP_SYSTEM_GDBSTUB_RUNTIME。

本文档结构如下：

引言: 介绍本指南主旨。
工作原理: 介绍 ESP32、JTAG (Joint Test Action Group) 接口、OpenOCD 和 GDB 如何相互连接，从而实现 ESP32 的调试功能。
选择 JTAG 适配器: 介绍有关 JTAG 硬件适配器的选择及参照标准。
安装 OpenOCD: 介绍如何安装官方预编译好的 OpenOCD 软件包并验证是否安装成功。
配置 ESP32 目标板: 介绍如何设置 OpenOCD 软件并安装 JTAG 硬件，两项共同构成调试目标.
启动调试器: 介绍如何从 Eclipse 集成开发环境和命令行终端启动 GDB 调试会话。
调试范例: 如果你不熟悉 GDB，请查看此小节以获取 Eclipse 集成开发环境以及命令行终端提供的调试示例。
从源码构建 OpenOCD: 介绍如何在 Windows，Linux 和 macOS 操作系统上从源码构建 OpenOCD。
注意事项和补充内容: 介绍使用 OpenOCD 和 GDB 通过 JTAG 接口调试 ESP32 时的注意事项和补充内容。

引言

ESP32 具有两个强大的 Xtensa 内核，支持多种程序架构。ESP-IDF 自带的 FreeRTOS 操作系统支持多核抢占式调度，允许用户以更加直观的方式编写软件。

与此相对地，由于缺乏合适的工具，简便的编程方式也会给程序的调试带来困难，比如找出由两个线程引起的错误，并且这两个线程在单独的 CPU 核上同时运行，那么仅凭 printf 语句会花费很长时间来定位该错误。调试此类问题更好（往往也更快）的方法是使用调试器，将其连接到处理器的调试端口。

乐鑫已完成 OpenOCD 移植，以支持 ESP32 处理器和多核 FreeRTOS 架构（大多数 ESP32 应用程序的基础）。此外，乐鑫还提供了一些 OpenOCD 本身并不支持的工具，以进一步丰富调试功能。

本文将介绍如何在 Linux、Windows 和 macOS 环境下为 ESP32 安装 OpenOCD，并使用 GDB 进行软件调试。除部分安装流程有所不同外，所有操作系统的软件用户界面和使用流程都是相同的。

备注

本文使用的图片素材来自于 Ubuntu 16.04 LTS 上 Eclipse Neon 3 软件的截图，不同的操作系统（Windows、macOS 或 Linux）或不同的 Eclipse 软件版本在用户界面上可能会有细微差别。

工作原理

通过 JTAG (Joint Test Action Group) 接口使用 OpenOCD 调试 ESP32 时所需要的关键软件和硬件包括 xtensa-esp32-elf-gdb 调试器、OpenOCD 片上调试器 和连接到 ESP32 目标的 JTAG 适配器，如下图 “Application Loading and Monitoring” 标志所示。

JTAG debugging - overview diagram — JTAG 调试 - 概述图

“Application Loading and Monitoring” 标志显示一组关键的软件和硬件组件，可用于编译、构建和烧写应用程序到 ESP32 上，以及监视来自 ESP32 的运行诊断信息。

Eclipse 环境集成了 JTAG 调试和应用程序加载、监视的功能，使得软件从编写、编译、加载到调试的迭代过程变得更加快速简单。Eclipse IDE 及其集成的调试软件均适用于 Windows、Linux 和 macOS 平台。根据用户喜好，除了使用 Eclipse 集成开发环境，还可以直接在命令行终端运行 debugger 和 idf.py build。

若使用 ESP-WROVER-KIT 开发板，由于其板载 FT232H 芯片，仅需一根 USB 线即可连接 PC 与 ESP32。FT232H 提供了两路 USB 通道，一路连接到 JTAG，另一路连接到 UART。

选择 JTAG 适配器

上手 JTAG 最快速便捷的方式是使用 ESP-WROVER-KIT 开发板，因为它板载了 JTAG 调试接口，无需使用外部 JTAG 硬件适配器和额外线缆来连接 JTAG 与 ESP32。ESP-WROVER-KIT 采用 FT2232H 提供的 JTAG 接口，可以稳定运行在 20 MHz 的时钟频率，外接的适配器很难达到这个速度。

如果想使用单独的 JTAG 适配器，请确保其与 ESP32 的电平电压和 OpenOCD 软件都兼容。ESP32 使用的是业界标准的 JTAG 接口，它未使用（实际上也并不需要）TRST 信号脚。JTAG 使用的 IO 管脚由 VDD_3P3_RTC 电源管脚供电（通常连接到外部 3.3 V 的电源轨），因此 JTAG 硬件适配器的管脚需要能够在该电压范围内正常工作。

在软件方面，OpenOCD 支持相当多数量的 JTAG 适配器，请参阅 OpenOCD 支持的适配器列表（请注意这一列表并不完整），其中还列出了兼容 SWD 接口的适配器，但请注意，ESP32 目前并不支持 SWD。此外，硬编码为只支持特定产品线的 JTAG 适配器也无法在 ESP32 上工作，例如仅针对 STM32 系列产品的 ST-LINK 适配器。

保证 JTAG 正常工作需要连接的信号线包括：TDI、TDO、TCK、TMS 和 GND。一些 JTAG 适配器还需要 ESP32 提供一路电源到适配器的某个管脚上（比如 Vtar），用于设置适配器的工作电压。也可以选择将 SRST 信号线连接到 ESP32 的 CH_PD 管脚上，但请注意，目前 OpenOCD 对该信号线提供的支持相当有限。

ESP-Prog 中展示了使用外部电路板进行调试的实例，方法是将其连接到 ESP32 的 JTAG 管脚上。

安装 OpenOCD

如果已经按照快速入门完成了 ESP-IDF 及其 CMake 构建系统的安装，那么 OpenOCD 已经被默认安装到了你的开发系统中。在设置开发环境结束后，应该能够在终端中运行如下 OpenOCD 命令:

openocd --version

终端会输出以下信息（实际版本号可能会更新）:

Open On-Chip Debugger v0.12.0-esp32-20240318 (2024-03-18-18:25)
Licensed under GNU GPL v2
For bug reports, read
        http://openocd.org/doc/doxygen/bugs.html

你还可以检查 OPENOCD_SCRIPTS 环境变量的值，以确认 OpenOCD 配置文件的路径，Linux 和 macOS 用户可以在终端输入 echo $OPENOCD_SCRIPTS，Windows 用户需要输入 echo %OPENOCD_SCRIPTS%。如果终端输出了有效路径，则表明已经正确安装 OpenOCD。

如果无法执行上述步骤，请再次阅读快速入门手册，Linux 和 macOS 用户请参考设置安装工具章节，Windows 用户请参考 ESP-IDF 工具安装器。

备注

另外也可以从源代码编译 OpenOCD 工具，详细信息请参阅从源码构建 OpenOCD 章节。

配置 ESP32 目标板

OpenOCD 安装完成后就可以配置 ESP32 目标（即带 JTAG 接口的 ESP32 板），具体分为以下三个步骤：

配置并连接 JTAG 接口
运行 OpenOCD
上传待调试的应用程序

配置并连接 JTAG 接口

此步骤取决于使用的 JTAG 和 ESP32 板，请参考以下两种情况。

运行 OpenOCD

配置完目标并将其连接到电脑后，即可启动 OpenOCD。

打开终端，按照快速入门指南中的设置好开发环境章节进行操作，然后运行如下命令，以启动 OpenOCD（该命令适用于 Windows、Linux 和 macOS）:

openocd -f board/esp32-wrover-kit-3.3v.cfg

备注

上述命令中 -f 选项后跟的配置文件专用于板载 ESP32-WROOM-32 模组的 ESP-WROVER-KIT 开发板。基于具体使用的硬件，你可能需要选择不同的配置文件，具体内容请参阅根据目标芯片配置 OpenOCD。

现在应该可以看到如下输出（此日志来自板载 ESP32-WROOM-32 模组的 ESP-WROVER-KIT 开发板）:

user-name@computer-name:~/esp/esp-idf$ openocd -f board/esp32-wrover-kit-3.3v.cfg
Open On-Chip Debugger  v0.10.0-esp32-20190708 (2019-07-08-11:04)
Licensed under GNU GPL v2
For bug reports, read
        http://openocd.org/doc/doxygen/bugs.html
none separate
adapter speed: 20000 kHz
force hard breakpoints
Info : ftdi: if you experience problems at higher adapter clocks, try the command "ftdi_tdo_sample_edge falling"
Info : clock speed 20000 kHz
Info : JTAG tap: esp32.cpu0 tap/device found: 0x120034e5 (mfg: 0x272 (Tensilica), part: 0x2003, ver: 0x1)
Info : JTAG tap: esp32.cpu1 tap/device found: 0x120034e5 (mfg: 0x272 (Tensilica), part: 0x2003, ver: 0x1)
Info : esp32: Debug controller was reset (pwrstat=0x5F, after clear 0x0F).
Info : esp32: Core was reset (pwrstat=0x5F, after clear 0x0F).

如果出现指示权限问题的错误，请打开 ~/esp/openocd-esp32 目录，参阅 OpenOCD README 文件中关于 “Permissions delegation” 的说明。
如果遇到无法找到配置文件的错误，例如 Can't find board/esp32-wrover-kit-3.3v.cfg，请检查 OPENOCD_SCRIPTS 环境变量是否设置正确，OpenOCD 根据此变量来查找 -f 指定的文件，详见安装 OpenOCD。此外，还需要检查配置文件是否确实位于该路径下。
如果出现 JTAG 错误（例如输出为 ...all ones 或 ...all zeroes），请检查硬件连接是否正确，除了 ESP32 的管脚之外是否还有其他信号连接到了 JTAG，并查看是否所有器件都已经上电。

上传待调试的应用程序

按照正常步骤构建并上传 ESP32 应用程序，具体请参阅第五步：开始使用 ESP-IDF 吧章节。

除此以外，还可以使用 OpenOCD 通过 JTAG 接口将应用程序镜像烧写到 flash 中，命令如下:

openocd -f board/esp32-wrover-kit-3.3v.cfg -c "program_esp filename.bin 0x10000 verify exit"

其中 OpenOCD 的烧写命令 program_esp 格式如下：

program_esp <image_file> <offset> [verify] [reset] [exit] [compress] [encrypt]

image_file - 程序镜像文件存放的路径
offset - 镜像烧写到 flash 中的偏移地址
verify - 烧写完成后校验 flash 中的内容（可选）
reset - 烧写完成后重启目标（可选）
exit - 烧写完成后退出 OpenOCD（可选）
compress - 烧写开始前压缩镜像文件（可选）
encrypt - 烧写到 flash 前加密二进制文件，与 idf.py encrypted-flash 功能相同（可选）
no_clock_boost - 禁用在烧写前将目标时钟频率设置为其最大可能值（可选）。默认情况下禁用该选项，即默认启用时钟提升。
restore_clock - 可选。烧写完成后将时钟频率恢复到初始值。默认情况下不启用。

现在可以调试应用程序了，请按照以下章节中的步骤进行操作。

启动调试器

ESP32 的工具链中带有 GNU 调试器（简称 GDB），它和其它工具链软件共同存放于 xtensa-esp32-elf-gdb 中。除了直接在命令行终端中调用并操作 GDB 外，也可以在 IDE（例如 Eclipse、Visual Studio Code 等）中进行调用，使用图形用户界面间接操作 GDB，这一方法无需在终端中输入任何命令。

关于调试器的使用方法，详见以下链接。

建议首先检查调试器能否在命令行终端下正常工作，然后再使用 Eclipse 集成开发环境进行调试工作。

调试范例

本节适用于不熟悉 GDB 的用户，下文将使用 get-started/blink 下简单的应用程序来演示调试会话的工作流程，同时会介绍以下常用的调试操作：

此外还会提供在在命令行终端进行调试下使用 GDB 调试的案例。

备注

调试 FreeRTOS 对象目前仅适用于命令行调试。

在演示之前，请完成 ESP32 目标板设置并加载 get-started/blink 至 ESP32 中。

从源码构建 OpenOCD

以下文档分别介绍了如何在各操作系统平台上从源码构建 OpenOCD。

本文档在演示中所使用的 OpenOCD 是预编译好的二进制发行版，在安装 OpenOCD 章节中有所介绍。

如果要使用本地从源代码编译的 OpenOCD 程序，需要将相应可执行文件的路径修改为 src/openocd，并设置 OPENOCD_SCRIPTS 环境变量，使得 OpenOCD 能够找到配置文件。Linux 和 macOS 用户可以执行:

cd ~/esp/openocd-esp32
export OPENOCD_SCRIPTS=$PWD/tcl

Windows 用户可以执行:

cd %USERPROFILE%\esp\openocd-esp32
set "OPENOCD_SCRIPTS=%CD%\tcl"

针对 Linux 和 macOS 用户，运行本地编译的 OpenOCD 的示例:

src/openocd -f board/esp32-wrover-kit-3.3v.cfg

Windows 用户的示例如下:

src\openocd -f board\esp32-wrover-kit-3.3v.cfg

注意事项和补充内容

本节列出了上文中提到的所有注意事项和补充内容的链接。

注意事项和补充内容