注意事项和补充内容

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本节提供了本指南中各部分提到的一些注意事项和补充内容。

可用的断点和观察点

ESP32 调试器支持 2 个硬件断点和 64 个软件断点。硬件断点是由 ESP32 芯片内部的逻辑电路实现的,能够设置在代码的任何位置:闪存或者 IRAM 的代码区域。除此以外,OpenOCD 实现了两种软件断点:闪存断点(最多 32 个)和 IRAM 断点(最多 32 个)。目前 GDB 无法在闪存中设置软件断点,因此除非解决此限制,否则这些断点只能由 OpenOCD 模拟为硬件断点。(详细信息可以参阅 下面)。ESP32 还支持 2 个观察点,所以可以观察两个变量的变化或者通过 GDB 命令 watch myVariable 来读取变量的值。请注意 menuconfig 中的 CONFIG_FREERTOS_WATCHPOINT_END_OF_STACK 选项会使用第二个观察点,如果你想在 OpenOCD 或者 GDB 中再次尝试使用这个观察点,可能不会得到预期的结果。详情请查看 menuconfig 中的帮助文档。

关于断点的补充知识

使用软件闪存模拟部分硬件断点的意思就是当使用 GDB 命令 hb myFunction 给某个函数设置硬件断点时,如果该函数位于闪存中,并且此时还有可用的硬件断点,那调试器就会使用硬件断点,否则就使用 32 个软件闪存断点中的一个来模拟。这个规则同样适用于 b myFunction 之类的命令,在这种情况下,GDB 会自己决定该使用哪种类型的断点。如果 myFunction 位于可写区域(IRAM),那就会使用软件 IRAM 断点,否则就会像处理 hb 命令一样使用硬件断点或者软件闪存断点。

闪存映射 vs 软件闪存断点

为了在闪存中设置或者清除软件断点,OpenOCD 需要知道它们在闪存中的地址。为了完成从 ESP32 的地址空间到闪存地址的转换,OpenOCD 使用闪存中程序代码区域的映射。这些映射被保存在程序映像的头部,位于二进制数据(代码段和数据段)之前,并且特定于写入闪存的每一个应用程序的映像。因此,为了支持软件闪存断点,OpenOCD 需要知道待调试的应用程序映像在闪存中的位置。默认情况下,OpenOCD 会在 0x8000 处读取分区表并使用第一个找到的应用程序映像的映射,但是也可能会存在无法工作的情况,比如分区表不在标准的闪存位置,甚至可能有多个映像:一个出厂映像和两个 OTA 映像,你可能想要调试其中的任意一个。为了涵盖所有可能的调试情况,OpenOCD 支持特殊的命令,用于指定待调试的应用程序映像在闪存中的具体位置。该命令具有以下格式:

esp appimage_offset <offset>

偏移量应为十六进制格式,如果要恢复默认行为,可以将偏移地址设置为 -1

备注

由于 GDB 在连接 OpenOCD 时仅仅请求一次内存映射,所以可以在 TCL 配置文件中指定该命令,或者通过命令行传递给 OpenOCD。对于后者,命令行示例如下:

openocd -f board/esp32-wrover-kit-3.3v.cfg -c "init; halt; esp appimage_offset 0x210000"

另外还可以通过 OpenOCD 的 telnet 会话执行该命令,然后再连接 GDB, 不过这种方式似乎没有那么便捷。

“next” 命令无法跳过子程序的原因

当使用 next 命令单步执行代码时, GDB 会在子程序的前面设置一个断点(两个中可用的一个),这样就可以跳过进入子程序内部的细节。如果这两个断点已经用在代码的其它位置,那么 next 命令将不起作用。在这种情况下,请删掉一个断点以使其中一个变得可用。当两个断点都已经被使用时,next 命令会像 step 命令一样工作,调试器就会进入子程序内部。

OpenOCD 支持的编译时的选项

ESP-IDF 有一些针对 OpenOCD 调试功能的选项可以在编译时进行设置:

  • CONFIG_ESP_DEBUG_OCDAWARE 默认会被使能。如果程序抛出了不可修复或者未处理的异常,并且此时已经连接上了 JTAG 调试器(即 OpenOCD 正在运行),那么 ESP-IDF 将会进入调试器工作模式。

  • CONFIG_FREERTOS_WATCHPOINT_END_OF_STACK 默认没有使能。在所有任务堆栈的末尾设置观察点,从 1 号开始索引。这是调试任务堆栈溢出的最准确的方式。

更多有关设置编译时的选项的信息,请参阅 项目配置菜单

支持 FreeRTOS

OpenOCD 完全支持 ESP-IDF 自带的 FreeRTOS 操作系统,GDB 会将 FreeRTOS 中的任务当做线程。使用 GDB 命令 i threads 可以查看所有的线程,使用命令 thread n 可以切换到某个具体任务的堆栈,其中 n 是线程的编号。检测 FreeRTOS 的功能可以在配置目标时被禁用。更多详细信息,请参阅 根据目标芯片配置 OpenOCD

GDB 具有 FreeRTOS 支持的 Python 扩展模块。在系统要求满足的情况下,通过 idf.py gdb 命令,ESP-IDF 会将该模块自动加载到 GDB 中。详细信息请参考 调试 FreeRTOS 对象

在 OpenOCD 的配置文件中设置 SPI 闪存的工作电压

ESP32 的 MTDI 管脚是用于 JTAG 通信的四个管脚之一,同时也是 ESP32 的 bootstrapping 管脚。上电时,ESP32 会在 MTDI 管脚上采样二进制电平,据此来设置内部的稳压器,用于给外部的 SPI 闪存芯片供电。如果上电时 MTDI 管脚上的二进制电平为低电平,则稳压器会被设置为 3.3 V;如果 MTDI 管脚为高电平,则稳压器会被设置为 1.8 V。MTDI 管脚通常需要一个上拉电阻或者直接使能内部的弱下拉电阻(详见 ESP32 系列芯片技术规格书 ),具体取决于所使用的 SPI 芯片的类型。但是一旦连接上 JTAG 后,原来用于实现 bootstrapping 功能的上拉或者下拉电阻都会被覆盖掉。

为了解决这个问题,OpenOCD 的板级配置文件(例如 ESP-WROVER-KIT 开发板的 board\esp32-wrover-kit-3.3v.cfg)提供了 ESP32_FLASH_VOLTAGE 参数来设置 TDO 信号线在空闲状态下的二进制电平,这样就可以减少由于闪存电压不正确而导致的应用程序启动不良的几率。

查看 JTAG 连接的 ESP32 模组的规格书,检查其 SPI 闪存芯片的供电电压值,然后再相应的设置 ESP32_FLASH_VOLTAGE。大多数WROOM模块使用 3.3 V 的闪存芯片。 早于 ESP32-WROVER-B 的 WROVER 模块使用 1.8 V 闪存芯片,而ESP32-WROVER-B和-E模块使用 3.3 V 闪存芯片。

优化 JTAG 的速度

为了实现更高的数据通信速率同时最小化丢包数,建议优化 JTAG 时钟频率的设置,使其达到 JTAG 能稳定运行的最大值。为此,请参考以下建议。

  1. 如果 CPU 以 80 MHz 运行,则 JTAG 时钟频率的上限为 20 MHz;如果 CPU 以 160 MHz 或者 240 MHz 运行,则上限为 26 MHz。

  2. 根据特定的 JTAG 适配器和连接线缆的长度,你可能需要将 JTAG 的工作频率降低至 20 / 26 MHz 以下。

  3. 在某些特殊情况下,如果你看到 DSR/DIR 错误(并且它并不是由 OpenOCD 试图从一个没有物理存储器映射的地址空间读取数据而导致的),请降低 JTAG 的工作频率。

  4. ESP-WROVER-KIT 能够稳定运行在 20 / 26 MHz 频率下。

调试器的启动命令的含义

在启动时,调试器发出一系列命令来复位芯片并使其在特定的代码行停止运行。这个命令序列(如下所示)支持自定义,用户可以选择在最方便合适的代码行开始调试工作。

  • set remote hardware-watchpoint-limit 2 — 限制 GDB 仅使用 ESP32 支持的两个硬件观察点。更多详细信息,请查阅 GDB 配置远程目标

  • mon reset halt — 复位芯片并使 CPU 停止运行。

  • flushregs — monitor (mon) 命令无法通知 GDB 目标状态已经更改,GDB 会假设在 mon reset halt 之前所有的任务堆栈仍然有效。实际上,复位后目标状态将发生变化。执行 flushregs 是一种强制 GDB 从目标获取最新状态的方法。

  • thb app_main — 在 app_main 处插入一个临时的硬件断点,如果有需要,可以将其替换为其他函数名。

  • c — 恢复程序运行,它将会在 app_main 的断点处停止运行。

根据目标芯片配置 OpenOCD

OpenOCD 有很多种配置文件(*.cfg),它们位于 OpenOCD 安装目录的 share/openocd/scripts 子目录中(或者在 OpenOCD 源码目录的 tcl/scripts 目录中)。本文主要介绍 boardinterfacetarget 这三个目录。

  • interface 包含了例如 ESPProg、J-Link 这些 JTAG 适配器的配置文件。

  • target 包含了目标芯片或者模组的配置文件。

  • board 包含有内置了 JTAG 适配器的开发板的配置文件,这些配置文件会根据实际的 JTAG 适配器和芯片/模组来导入某个具体的 interfacetarget 的配置。

ESP32 可以使用的配置文件如下表所示:

ESP32 相关的 OpenOCD 配置文件

名字

描述

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

板载 3.3 V 模组(ESP32-WROOM-32,ESP32-WROVER-B,ESP32-WROVER-E)的 ESP-WROVER-KIT 开发板配置文件

board/esp32-wrover-kit-1.8v.cfg

板载 1.8 V 模组(ESP32-WROVER)的 ESP-WROVER-KIT 开发板配置文件

board/esp32-ethernet-kit-3.3v.cfg

板载 3.3 V 模组(ESP32-WROVER-B / ESP32-WROVER-E)的 ESP-Ethernet-KIT 开发板配置文件

target/esp32.cfg

ESP32 的目标配置文件,可以和某个 interface/ 下的配置文件一同使用

target/esp32-solo-1.cfg

ESP32-SOLO-1 模组的目标配置文件,和 esp32.cfg 的差别在于它仅配置一个 CPU

interface/ftdi/esp32_devkitj_v1.cfg

适用于 ESP-WROVER-KIT 和 ESP-Prog 的 JTAG 适配器配置文件

如果你使用的开发板已经有了一份预定义好的配置文件,你只须将该文件通过 -f 参数告诉 OpenOCD。

如果你的开发板不在上述列表中,你需要使用多个 -f 参数来告诉 OpenOCD 你选择的 interfacetarget 配置文件。

自定义配置文件

OpenOCD 的配置文件是用 TCL 语言编写的, 包含了定制和编写脚本的各种选项。这在非标准调试的场景中非常有用,更多关于 TCL 脚本的内容请参考 OpenOCD 参考手册

OpenOCD 中的配置变量

你还可以视情况在导入 target 配置文件之前,设定如下变量的值。可以写在自定义配置文件中,或者通过命令行传递。

TCL 语言中为变量赋值的语法是:

set VARIABLE_NAME value

在命令行中为变量赋值请参考如下示例(请把 .cfg 配置文件替换成你自己的开发板配置):

openocd -c 'set VARIABLE_NAME value' -f board/esp-xxxxx-kit.cfg

请切记,一定要在导入配置文件之前设置这些变量,否则变量的值将不会生效。为多个变量赋值需要重复多次 -c 选项。

通用的 ESP 相关的 OpenOCD 变量

变量名

描述

ESP_RTOS

设置成 none 可以关闭 OpenOCD 对 RTOS 的支持,这样的话,你将无法在 GDB 中查看到线程列表。这个功能在调试 FreeRTOS 本身的时候会很有用,可以单步调试调度器的代码。

ESP_FLASH_SIZE

设置成 0 可以关闭对 flash 断点的支持。

ESP_SEMIHOST_BASEDIR

设置 semihosting 在主机端的默认目录。

ESP32 相关的 OpenOCD 变量

名字

描述

ESP32_FLASH_VOLTAGE

如果 ESP32 模组集成的是 1.8 V 的 flash,将该变量设置为 1.8,详情请参考 在 OpenOCD 的配置文件中设置 SPI 闪存的工作电压

ESP32_ONLYCPU

对于多核芯片,将该值设置为 1 可以仅启用单核调试功能

复位 ESP32

通过在 GDB 中输入 mon reset 或者 mon reset halt 来复位板子。

不要将 JTAG 管脚用于其他功能

如果除了 ESP32 模组和 JTAG 适配器之外的其他硬件也连接到了 JTAG 管脚,那么 JTAG 的操作可能会受到干扰。ESP32 JTAG 使用以下管脚:

ESP32 管脚和 JTAG 接口信号

ESP32 管脚

JTAG 信号

MTDO / GPIO15

TDO

MTDI / GPIO12

TDI

MTCK / GPIO13

TCK

MTMS / GPIO14

TMS

GND

GND

如果用户应用程序更改了 JTAG 管脚的配置,JTAG 通信可能会失败。如果 OpenOCD 正确初始化(检测到两个 Tensilica 内核),但在程序运行期间失去了同步并报出大量 DTR/DIR 错误,则应用程序可能将 JTAG 管脚重新配置为其他功能或者用户忘记将 Vtar 连接到 JTAG 适配器。

下面是 GDB 在应用程序进入重新配置 MTDO/GPIO15 作为输入代码后报告的一系列错误摘录:

cpu0: xtensa_resume (line 431): DSR (FFFFFFFF) indicates target still busy!
cpu0: xtensa_resume (line 431): DSR (FFFFFFFF) indicates DIR instruction generated an exception!
cpu0: xtensa_resume (line 431): DSR (FFFFFFFF) indicates DIR instruction generated an overrun!
cpu1: xtensa_resume (line 431): DSR (FFFFFFFF) indicates target still busy!
cpu1: xtensa_resume (line 431): DSR (FFFFFFFF) indicates DIR instruction generated an exception!
cpu1: xtensa_resume (line 431): DSR (FFFFFFFF) indicates DIR instruction generated an overrun!

JTAG 与闪存加密和安全引导

默认情况下,开启了闪存加密和(或者)安全引导后,系统在首次启动时,引导程序会烧写 eFuse 的某个比特,从而将 JTAG 永久关闭。

Kconfig 配置项 CONFIG_SECURE_BOOT_ALLOW_JTAG 可以改变这个默认行为,使得用户即使开启了安全引导或者闪存加密,仍会保留 JTAG 的功能。

然而,因为设置 软件断点 的需要,OpenOCD 会尝试自动读写 flash 中的内容,这会带来两个问题:

  • 软件断点和闪存加密是不兼容的,目前 OpenOCD 尚不支持对 flash 中的内容进行加密和解密。

  • 如果开启了安全引导功能,设置软件断点会改变被签名的程序的摘要,从而使得签名失效。这也意味着,如果设置了软件断点,系统会在下次重启时的签名验证阶段失败,导致无法启动。

关闭 JTAG 的软件断点功能,可以在启动 OpenOCD 时在命令行额外加一项配置参数 -c 'set ESP_FLASH_SIZE 0',请参考 OpenOCD 中的配置变量

备注

同样地,当启用该选项,并且在调试过程中设置了软件断点,引导程序将无法校验通过应用程序的签名。

JTAG 和 ESP32-WROOM-32 AT 固件兼容性问题

ESP32-WROOM 系列模块预装了 AT 固件。该固件将 GPIO12 至 GPIO15 管脚配置为 SPI 从属接口,使得无法使用 JTAG。

要想使用 JTAG,需要编译新的固件,新的固件不能使用专门用于 JTAG 通信的管脚(GPIO12 至 GPIO15),然后将固件烧录到模组中。请参考 不要将 JTAG 管脚用于其他功能

报告 OpenOCD / GDB 的问题

如果你遇到 OpenOCD 或者 GDB 程序本身的问题,并且在网上没有找到可用的解决方案,请前往 https://github.com/espressif/openocd-esp32/issues 新建一个议题。

  1. 请在问题报告中提供你使用的配置的详细信息:

    1. JTAG 适配器类型。

    2. 用于编译和加载正在调试的应用程序的 ESP-IDF 版本号。

    3. 用于调试的操作系统的详细信息。

    4. 操作系统是在本地计算机运行还是在虚拟机上运行?

  2. 创建一个能够演示问题的简单示例工程,描述复现该问题的步骤。且这个调试示例不能受到 Wi-Fi 协议栈引入的非确定性行为的影响,这样再次遇到同样问题时,更容易复现。

  1. 在启动命令中添加额外的参数来输出调试日志。

    OpenOCD 端:

    openocd -l openocd_log.txt -d3 -f board/esp32-wrover-kit-3.3v.cfg
    

    这种方式会将日志输出到文件,但是它会阻止调试信息打印在终端上。当有大量信息需要输出的时候(比如调试等级提高到 -d3)这是个不错的选择。如果你仍然希望在屏幕上看到调试日志,请改用以下命令:

    openocd -d3 -f board/esp32-wrover-kit-3.3v.cfg 2>&1 | tee openocd.log
    

    Debugger 端:

    xtensa-esp32-elf-gdb -ex "set remotelogfile gdb_log.txt" <all other options>
    

    也可以将命令 remotelogfile gdb_log.txt 添加到 gdbinit 文件中。

  2. 请将 openocd_log.txtgdb_log.txt 文件附在你的问题报告中。