应用层跟踪库
概述
ESP-IDF 中提供了应用层跟踪功能，用于分析应用程序的行为。这一功能在相应的库中实现，可以通过 menuconfig 开启。此功能允许用户在程序运行开销很小的前提下，通过 JTAG、UART 或 USB 接口在主机和 ESP32-C3 之间传输任意数据。用户也可同时使用 JTAG 和 UART 接口。UART 接口主要用于连接 SEGGER SystemView 工具（参见 SystemView)。
开发人员可以使用这一功能库将应用程序的运行状态发送给主机，在运行时接收来自主机的命令或者其他类型的信息。该库的主要使用场景有：
收集来自特定应用程序的数据。具体请参阅 特定应用程序的跟踪。
记录到主机的轻量级日志。具体请参阅 记录日志到主机。
系统行为分析。具体请参阅 基于 SEGGER SystemView 的系统行为分析。
获取源代码覆盖率。具体请参阅 Gcov（源代码覆盖率）。
使用 JTAG 接口的跟踪组件工作示意图如下所示：
使用 JTAG 接口的跟踪组件
运行模式
该库支持两种运行模式：
后验模式： 后验模式为默认模式，该模式不需要和主机进行交互。在这种模式下，跟踪模块不会检查主机是否已经从 HW UP BUFFER 缓冲区读走所有数据，而是直接使用新数据覆盖旧数据。如果用户仅对最新的跟踪数据感兴趣，例如想要分析程序在崩溃之前的行为，则推荐使用该模式。主机可以稍后根据用户的请求来读取数据，例如在使用 JTAG 接口的情况下，通过特殊的 OpenOCD 命令进行读取。
流模式： 当主机连接到 ESP32-C3 时，跟踪模块会进入此模式。在这种模式下，跟踪模块在新数据写入 HW UP BUFFER 之前会检查其中是否有足够的空间，并在必要的时候等待主机读取数据并释放足够的内存。最大等待时间是由用户传递给相应 API 函数的超时时间参数决定的。因此当应用程序尝试使用有限的最大等待时间值来将数据写入跟踪缓冲区时，这些数据可能会被丢弃。尤其需要注意的是，如果在对时效要求严格的代码中（如中断处理函数、操作系统调度等）指定了无限的超时时间，将会导致系统故障。
配置选项与依赖项
使用此功能需要在主机端和目标端进行以下配置：
主机端： 应用程序跟踪通过 JTAG 来完成，因此需要在主机上安装并运行 OpenOCD。详细信息请参阅 JTAG 调试。
目标端： 在 menuconfig 中开启应用程序跟踪功能。前往
Component config>Application Level Tracing菜单，选择跟踪数据的传输目标（具体用于传输的硬件接口：JTAG 和/或 UART），选择任一非 None 的目标都会自动开启CONFIG_APPTRACE_ENABLE这个选项。对于 UART 接口，用户需要定义端口号、波特率、TX 和 RX 管脚及其他相关参数。
备注
为了实现更高的数据速率并降低丢包率，建议优化 JTAG 的时钟频率，使其达到能够稳定运行的最大值。详细信息请参阅 优化 JTAG 的速度。
以下为前述未提及的另外两个 menuconfig 选项：
Threshold for flushing last trace data to host on panic (CONFIG_APPTRACE_POSTMORTEM_FLUSH_THRESH)。使用 JTAG 接口时，此选项是必选项。在该模式下，跟踪数据以 16 KB 数据块的形式暴露给主机。在后验模式中，一个块被填充后会被暴露给主机，同时之前的块不再可用。也就是说，跟踪数据以 16 KB 的粒度进行覆盖。发生 Panic 时，当前输入块的最新数据将会被暴露给主机，主机可以读取数据以进行后续分析。如果系统发生 Panic 时，仍有少量数据还没来得及暴露给主机，那么之前收集的 16 KB 数据将丢失，主机只能获取少部分的最新跟踪数据，从而可能无法诊断问题。此 menuconfig 选项有助于避免此类情况，它可以控制发生 Panic 时刷新数据的阈值。例如，用户可以设置需要不少于 512 字节的最新跟踪数据，如果在发生 Panic 时待处理的数据少于 512 字节，则数据不会被刷新，也不会覆盖之前的 16 KB 数据。该选项仅在后验模式和使用 JTAG 工作时可发挥作用。
Timeout for flushing last trace data to host on panic (CONFIG_APPTRACE_ONPANIC_HOST_FLUSH_TMO)。该选项仅在流模式下才可发挥作用，它可用于控制跟踪模块在发生 Panic 时等待主机读取最新数据的最长时间。
UART RX/TX ring buffer size (CONFIG_APPTRACE_UART_TX_BUFF_SIZE)。缓冲区的大小取决于通过 UART 传输的数据量。
UART TX message size (：ref:CONFIG_APPTRACE_UART_TX_MSG_size)。要传输的单条消息的最大尺寸。
如何使用此库
该库提供了用于在主机和 ESP32-C3 之间传输任意数据的 API。在 menuconfig 中启用该库后，目标应用程序的跟踪模块会在系统启动时自动初始化。因此，用户需要做的就是调用相应的 API 来发送、接收或者刷新数据。
特定应用程序的跟踪
通常，用户需要决定在每个方向上待传输数据的类型以及如何解析（处理）这些数据。要想在目标和主机之间传输数据，则需执行以下几个步骤：
在目标端，用户需要实现将跟踪数据写入主机的算法。下面的代码片段展示了如何执行此操作。
#include "esp_app_trace.h" ... char buf[] = "Hello World!"; esp_err_t res = esp_apptrace_write(ESP_APPTRACE_DEST_JTAG, buf, strlen(buf), ESP_APPTRACE_TMO_INFINITE); if (res != ESP_OK) { ESP_LOGE(TAG, "Failed to write data to host!"); return res; }
esp_apptrace_write()函数使用 memcpy 把用户数据复制到内部缓存中。在某些情况下，使用esp_apptrace_buffer_get()和esp_apptrace_buffer_put()函数会更加理想，它们允许开发人员自行分配缓冲区并填充。下面的代码片段展示了如何执行此操作。#include "esp_app_trace.h" ... int number = 10; char *ptr = (char *)esp_apptrace_buffer_get(ESP_APPTRACE_DEST_JTAG, 32, 100/*tmo in us*/); if (ptr == NULL) { ESP_LOGE(TAG, "Failed to get buffer!"); return ESP_FAIL; } sprintf(ptr, "Here is the number %d", number); esp_err_t res = esp_apptrace_buffer_put(ESP_APPTRACE_DEST_JTAG, ptr, 100/*tmo in us*/); if (res != ESP_OK) { /* in case of error host tracing tool (e.g. OpenOCD) will report incomplete user buffer */ ESP_LOGE(TAG, "Failed to put buffer!"); return res; }
另外，根据实际项目的需要，用户可能希望从主机接收数据。下面的代码片段展示了如何执行此操作。
#include "esp_app_trace.h" ... char buf[32]; char down_buf[32]; size_t sz = sizeof(buf); /* config down buffer */ esp_err_t res = esp_apptrace_down_buffer_config(ESP_APPTRACE_DEST_JTAG, down_buf, sizeof(down_buf)); if (res != ESP_OK) { ESP_LOGE(TAG, "Failed to config down buffer!"); return res; } /* check for incoming data and read them if any */ res = esp_apptrace_read(ESP_APPTRACE_DEST_JTAG, buf, &sz, 0/*do not wait*/); if (res != ESP_OK) { ESP_LOGE(TAG, "Failed to read data from host!"); return res; } if (sz > 0) { /* we have data, process them */ ... }
esp_apptrace_read()函数使用 memcpy 把主机端的数据复制到用户缓存区。在某些情况下，使用esp_apptrace_down_buffer_get()和esp_apptrace_down_buffer_put()函数可能更为理想。它们允许开发人员占用一块读缓冲区并就地进行有关处理操作。下面的代码片段展示了如何执行此操作。#include "esp_app_trace.h" ... char down_buf[32]; uint32_t *number; size_t sz = 32; /* config down buffer */ esp_err_t res = esp_apptrace_down_buffer_config(ESP_APPTRACE_DEST_JTAG, down_buf, sizeof(down_buf)); if (res != ESP_OK) { ESP_LOGE(TAG, "Failed to config down buffer!"); return res; } char *ptr = (char *)esp_apptrace_down_buffer_get(ESP_APPTRACE_DEST_JTAG, &sz, 100/*tmo in us*/); if (ptr == NULL) { ESP_LOGE(TAG, "Failed to get buffer!"); return ESP_FAIL; } if (sz > 4) { number = (uint32_t *)ptr; printf("Here is the number %d", *number); } else { printf("No data"); } res = esp_apptrace_down_buffer_put(ESP_APPTRACE_DEST_JTAG, ptr, 100/*tmo in us*/); if (res != ESP_OK) { /* in case of error host tracing tool (e.g. OpenOCD) will report incomplete user buffer */ ESP_LOGE(TAG, "Failed to put buffer!"); return res; }
下一步是编译应用程序的镜像，并将其下载到目标板上。这一步可以参考文档 构建并烧写。
运行 OpenOCD（参见 JTAG 调试）。
连接到 OpenOCD 的 telnet 服务器。用户可在终端执行命令
telnet <oocd_host> 4444。如果用户是在运行 OpenOCD 的同一台机器上打开 telnet 会话，可以使用localhost替换上面命令中的<oocd_host>。使用特殊的 OpenOCD 命令开始收集待跟踪的命令。此命令将传输跟踪数据并将其重定向到指定的文件或套接字（当前仅支持文件作为跟踪数据目标）。相关命令的说明，请参阅 启动调试器。
最后，处理接收到的数据。由于数据格式由用户自己定义，本文档中省略数据处理的具体流程。数据处理的范例可以参考位于
$IDF_PATH/tools/esp_app_trace下的 Python 脚本apptrace_proc.py（用于功能测试）和logtrace_proc.py（请参阅 记录日志到主机 章节中的详细信息）。
OpenOCD 应用程序跟踪命令
HW UP BUFFER 在用户数据块之间共享，并且会代替 API 调用者（在任务或者中断上下文中）填充分配到的内存。在多线程环境中，正在填充缓冲区的任务/中断可能会被另一个高优先级的任务/中断抢占，因此主机可能会读取到还未准备好的用户数据。对此，跟踪模块在所有用户数据块之前添加一个数据头，其中包含有分配的用户缓冲区的大小（2 字节）和实际写入的数据长度（2 字节），也就是说数据头总共长 4 字节。负责读取跟踪数据的 OpenOCD 命令在读取到不完整的用户数据块时会报错，但是无论如何，它都会将整个用户数据块（包括还未填充的区域）的内容放到输出文件中。
下文介绍了如何使用 OpenOCD 应用程序跟踪命令。
备注
目前，OpenOCD 还不支持将任意用户数据发送到目标的命令。
命令用法：
esp apptrace [start <options>] | [stop] | [status] | [dump <cores_num> <outfile>]
子命令：
start开始跟踪（连续流模式）。
stop停止跟踪。
status获取跟踪状态。
dump转储所有后验模式的数据。
Start 子命令的语法：
start <outfile> [poll_period [trace_size [stop_tmo [wait4halt [skip_size]]]]
outfile用于保存来自两个 CPU 的数据文件的路径，该参数需要具有以下格式：
file://path/to/file。poll_period轮询跟踪数据的周期（单位：毫秒），如果大于 0 则以非阻塞模式运行。默认为 1 毫秒。
trace_size最多要收集的数据量（单位：字节），接收到指定数量的数据后将会停止跟踪。默认为 -1（禁用跟踪大小停止触发器）。
stop_tmo空闲超时（单位：秒），如果指定的时间段内都没有数据就会停止跟踪。默认为 -1（禁用跟踪超时停止触发器）。还可以将其设置为比目标跟踪命令之间的最长暂停值更长的值（可选）。
wait4halt如果设置为 0 则立即开始跟踪，否则命令会先等待目标停止（复位、打断点等），然后对其进行自动恢复并开始跟踪。默认值为 0。
skip_size开始时要跳过的字节数，默认为 0。
备注
如果 poll_period 为 0，则在跟踪停止之前，OpenOCD 的 telnet 命令将不可用。必须通过复位电路板或者在 OpenOCD 的窗口中（非 telnet 会话窗口）使用快捷键 Ctrl+C。另一种选择是设置 trace_size 并等待，当收集到指定数据量时，跟踪会自动停止。
命令使用示例：
将 2048 个字节的跟踪数据收集到
trace.log文件中，该文件将保存在openocd-esp32目录中。esp apptrace start file://trace.log 1 2048 5 0 0 跟踪数据会被检索并以非阻塞的模式保存到文件中，如果收集满 2048 字节的数据或者在 5 秒内都没有新的数据，那么该过程就会停止。 .. note:: 在将数据提供给 OpenOCD 之前，会对其进行缓冲。如果看到 “Data timeout!” 的消息，则表示目标可能在超时之前没有向 OpenOCD 发送足够的数据以清空缓冲区。要解决这个问题，可以增加超时时间或者使用函数 ``esp_apptrace_flush()`` 以特定间隔刷新数据。在非阻塞模式下无限地检索跟踪数据。
esp apptrace start file://trace.log 1 -1 -1 0 0 对收集数据的大小没有限制，也不设置超时时间。要停止此过程，可以在 OpenOCD 的 telnet 会话窗口中发送 ``esp apptrace stop`` 命令，或者在 OpenOCD 窗口中使用快捷键 Ctrl+C。
检索跟踪数据并无限期保存。
esp apptrace start file://trace.log 0 -1 -1 0 0 在跟踪停止之前，OpenOCD 的 telnet 会话窗口将不可用。要停止跟踪，请在 OpenOCD 的窗口中使用快捷键 Ctrl+C。
等待目标停止，然后恢复目标的操作并开始检索数据。当收集满 2048 字节的数据后就停止：
esp apptrace start file://trace.log 0 2048 -1 1 0 想要复位后立即开始跟踪，请使用 OpenOCD 的 ``reset halt`` 命令。
记录日志到主机
记录日志到主机是 ESP-IDF 中一个非常实用的功能：通过应用层跟踪库将日志保存到主机端。某种程度上，这也算是一种半主机 (semihosting) 机制，相较于调用 ESP_LOGx 将待打印的字符串发送到 UART 的日志记录方式，此功能将大部分工作转移到了主机端，从而减少了本地工作量。
ESP-IDF 的日志库会默认使用类 vprintf 的函数将格式化的字符串输出到专用的 UART，一般来说涉及以下几个步骤：
解析格式字符串以获取每个参数的类型。
根据其类型，将每个参数都转换为字符串。
格式字符串与转换后的参数一起发送到 UART。
虽然可以对类 vprintf 函数进行一定程度的优化，但由于在任何情况下都必须执行上述步骤，并且每个步骤都会消耗一定的时间（尤其是步骤 3），所以经常会发生以下这种情况：向程序中添加额外的打印信息以诊断问题，却改变了应用程序的行为，使得问题无法复现。在最严重的情况下，程序无法正常工作，最终导致报错甚至挂起。
想要解决此类问题，可以使用更高的波特率或者其他更快的接口，并将字符串格式化的工作转移到主机端。
通过应用层跟踪库的 esp_apptrace_vprintf 函数，可以将日志信息发送到主机，该函数不执行格式字符串和参数的完全解析，而仅仅计算传递参数的数量，并将它们与格式字符串地址一起发送给主机。主机端会通过一个特殊的 Python 脚本来处理并打印接收到的日志数据。
局限
目前通过 JTAG 实现记录日志还存在以下几点局限：
不支持使用
ESP_EARLY_LOGx宏进行跟踪。不支持大小超过 4 字节的 printf 参数（例如
double和uint64_t）。仅支持 .rodata 段中的格式字符串和参数。
最多支持 256 个 printf 参数。
如何使用
为了使用跟踪模块来记录日志，用户需要执行以下步骤：
在目标端，需要安装特殊的类 vprintf 函数
esp_apptrace_vprintf()，该函数负责将日志数据发送给主机，使用方法为esp_log_set_vprintf(esp_apptrace_vprintf);。如需将日志数据再次重定向给 UART，请使用esp_log_set_vprintf(vprintf);。按照 特定应用程序的跟踪 章节中的第 2-5 步进行操作。
打印接收到的日志记录，请在终端运行以下命令：
$IDF_PATH/tools/esp_app_trace/logtrace_proc.py /path/to/trace/file /path/to/program/elf/file。
Log Trace Processor 命令选项
命令用法：
logtrace_proc.py [-h] [--no-errors] <trace_file> <elf_file>
位置参数（必要）：
trace_file日志跟踪文件的路径。
elf_file程序 ELF 文件的路径。
可选参数：
-h,--help显示此帮助信息并退出。
--no-errors,-n不打印错误信息。
基于 SEGGER SystemView 的系统行为分析
ESP-IDF 中另一个基于应用层跟踪库的实用功能是系统级跟踪，它会生成与 SEGGER SystemView 工具 相兼容的跟踪信息。SEGGER SystemView 是一款实时记录和可视化工具，用来分析应用程序运行时的行为，可通过 UART 接口实时查看事件。
如何使用
若需使用这个功能，需要在 menuconfig 中开启 CONFIG_APPTRACE_SV_ENABLE 选项，具体路径为 Component config > Application Level Tracing > FreeRTOS SystemView Tracing。同一菜单栏下还开启了其它几个选项：
SytemView destination。选择需要使用的接口：JTAG 或 UART。使用 UART 接口时，可以将 SystemView 应用程序直接连接到 ESP32-C3 并实时接收数据。
ESP32-C3 timer to use as SystemView timestamp source （CONFIG_APPTRACE_SV_TS_SOURCE）。选择 SystemView 事件使用的时间戳来源。在单核模式下，使用 ESP32-C3 内部的循环计数器生成时间戳，其最大的工作频率是 240 MHz（时间戳粒度大约为 4 ns）。在双核模式下，使用工作在 40 MHz 的外部定时器，因此时间戳粒度为 25 ns。
可以单独启用或禁用的 SystemView 事件集合 (
CONFIG_APPTRACE_SV_EVT_XXX)：Trace Buffer Overflow Event
ISR Enter Event
ISR Exit Event
ISR Exit to Scheduler Event
Task Start Execution Event
Task Stop Execution Event
Task Start Ready State Event
Task Stop Ready State Event
Task Create Event
Task Terminate Event
System Idle Event
Timer Enter Event
Timer Exit Event
ESP-IDF 中已经包含了所有用于生成兼容 SystemView 跟踪信息的代码，用户只需配置必要的项目选项（如上所示），然后构建、烧写映像到目标板，接着参照前面的介绍，使用 OpenOCD 收集数据。
想要通过 UART 接口进行实时跟踪，请在菜单配置选项
Component config>Application Level Tracing>FreeRTOS SystemView Tracing中选择 Pro 或 App CPU。
OpenOCD SystemView 跟踪命令选项
命令用法：
esp sysview [start <options>] | [stop] | [status]
子命令：
start开启跟踪（连续流模式）。
stop停止跟踪。
status获取跟踪状态。
Start 子命令语法：
start <outfile1> [outfile2] [poll_period [trace_size [stop_tmo]]]
outfile1保存 PRO CPU 数据的文件路径。此参数需要具有如下格式：
file://path/to/file。outfile2保存 APP CPU 数据的文件路径。此参数需要具有如下格式：
file://path/to/file。poll_period跟踪数据的轮询周期（单位：毫秒）。如果该值大于 0，则命令以非阻塞的模式运行。默认为 1 毫秒。
trace_size最多要收集的数据量（单位：字节）。当收到指定数量的数据后，将停止跟踪。默认值是 -1（禁用跟踪大小停止触发器）。
stop_tmo空闲超时（单位：秒）。如果指定的时间内没有数据，将停止跟踪。默认值是 -1（禁用跟踪超时停止触发器）。
备注
如果 poll_period 为 0，则在跟踪停止之前，OpenOCD 的 telnet 命令行将不可用。你需要复位板卡，或者在 OpenOCD 的窗口（非 telnet 会话窗口）输入 Ctrl+C 命令，手动停止跟踪。另一个办法是设置 trace_size，等到收集满指定数量的数据后自动停止跟踪。
命令使用示例：
将 SystemView 跟踪数据收集到文件
pro-cpu.SVDat和pro-cpu.SVDat中。这些文件会被保存在openocd-esp32目录中。esp sysview start file://pro-cpu.SVDat file://app-cpu.SVDat
跟踪数据被检索并以非阻塞的方式保存。要停止此过程，需要在 OpenOCD 的 telnet 会话窗口输入
esp sysview stop命令，也可以在 OpenOCD 窗口中按下快捷键 Ctrl+C。检索跟踪数据并无限保存。
esp32 sysview start file://pro-cpu.SVDat file://app-cpu.SVDat 0 -1 -1
OpenOCD 的 telnet 命令行在跟踪停止前会无法使用，要停止跟踪，请在 OpenOCD 窗口使用 Ctrl+C 快捷键。
数据可视化
收集到跟踪数据后，用户可以使用特殊的工具对结果进行可视化并分析程序行为。
在工具中单独分析每个核的跟踪数据是比较棘手的，但是 Eclipse 提供了 Impulse 插件，该插件可以加载多个跟踪文件，并且可以在同一视图中检查来自两个内核的事件。此外，与免费版的 SystemView 相比，此插件没有 1,000,000 个事件的限制。
关于如何安装、配置 Impulse 并使用它来可视化来自单个核心的跟踪数据，请参阅 官方教程 。
备注
ESP-IDF 使用自己的 SystemView FreeRTOS 事件 ID 映射，因此用户需要将 $SYSVIEW_INSTALL_DIR/Description/SYSVIEW_FreeRTOS.txt 替换成 $IDF_PATH/tools/esp_app_trace/SYSVIEW_FreeRTOS.txt。在使用上述链接配置 SystemView 序列化程序时，也应该使用该特定文件的内容。
Gcov（源代码覆盖率）
在 ESP-IDF 项目中，可以借助 espressif/esp_gcov 托管组件使用 gcov 进行代码覆盖率分析。