【實作實驗室】不靠printf-MCU照樣能除錯debug

Posted By StrongPiLab on 10 月 7, 2018 in 實作派StrongPiLab, 教學文 | 0 comments

作者：實作派Lab

寫程式的人對於 printf( )應該不陌生，用它印變數真是再方便不過了，除了印文字還可以印數字，其中包含了各種格式，整數、浮點、十六進位等一應俱全。但若遇到沒辦法使用 printf( )的情況時，該怎麼辦呢?

有種情況是在微處理器（MCU, Micro Controller Unit）的flash memory很小只有幾K下發生，當程式碼已經寫到瀕臨memory的邊界，只要再多寫幾行code記憶體就會爆掉，尤其是 printf( )只要一加進去，記憶體馬上就爆了，這真的很令人傷腦筋。

printf 很佔空間

平常寫PC的程式，記憶體動輒以Giga Byte來計算，大家也許不會感覺到memory空間的限制；而MCU的程式，由於記憶體空間只有4K~16KByte等級，因此程式大小錙銖必計能省則省。每呼叫一次函式，就會產生一堆的push/pop指令，如果參數很多則占用的記憶體數量就很可觀，不僅如此printf還用了動態參數，讓參數的數量可以任意變動（如下方範例），為了彈性便需要吃掉更多空間，在記憶體捉襟見肘的情況下，若沒有printf該如何來做debug呢?

參數數量（圖片來源：實作派提供）

Simulator用不上

一定有人會想若printf不能用，那就改用模擬器Simulator的step run單步執行就好了，但如果一切都如此美好就好了。因為開發環境內的模擬器，它再厲害也只能模擬正常情況，而我這裡是要處理偶發性的異常事件，必須要抓到問題才能避免MCU當機。例如故意將USB或I2C短路，造成程式異常，這可是模擬器沒辦法模擬的。

那為何要故意造成USB或I2C短路呢？是因為實際在run的情況下，這些周邊通訊電路，就是有可能因為EMI而有機會發生異常。由於，不是每次EMI都會發生干擾，但我們並沒有太多時間守株待兔，所以直接將I2C短路讓它異常，效果直接而且狀況跟被EMI干擾的結果相同。

GPIO要好好利用

既然我們需要某種output來做為debug的工具，若不能用printf那還有甚麼方法可以做輸出呢？還好微處理器的IO（Input/Output）很多，只要設定得當，就可以利用GPIO（General Purpose Input Output）來輸出電壓當作debug訊號，之後再接上示波器就能看到電壓的變化，所以可以預先自行定義GPIO的high與low各是甚麼意義，這就可以當作debug的輸出。

由於GPIO只有High與Low兩種狀態，若想要在超過兩個不同地方安插debug訊號，可以使用下面的寫法，用來觀察程式是否有跑到預期的地方。這裡我以CY7C68013A為例，利用GPIO PortC的PC.0的腳位來輸出電壓變化。

如下方範例，我寫了三種脈衝，分別會產生1根pulse、2根pulse以及3根pulse，將它們放在程式中的不同位置，來代表程式中的不同階段，萬一有function當掉，看示波器的波形就馬上能知道是哪個函式出問題。

範例程式（圖片來源：實作派提供）

光看程式可能很難想像結果，那實際在示波器上看到的GPIO波形會是甚麼樣子呢？呈現的波形就會如下圖的樣子，框起來的地方分別是三種脈衝訊號的波形。當然如果你擔心脈衝訊號彼此太靠近，會容易搞不清楚到底誰跟誰是一組的話，就在脈衝前後多加幾個0（也就是low），就能把距離拉開了。

沒有 printf 就改用GPIO做為Debug訊號（圖片來源：實作派提供）

那也許大家會想為何不用for loop來寫脈衝？這樣程式不是更省？但其實事實不然，我確實有試過用for loop來取代hard coding，但我發現只要用了for這個關鍵字，程式就會變胖，可是code size已經在臨界點了，這個for就會變成壓垮駱駝的最後一根稻草，因此我全部用hard codeing。

小結

依稀記得多年前正在研究一個MCU的時候，由於它體積很小pin腳也少，少到連UART都不見了。所以，當時我只能先用一根GPIO接上LED確認程式會動之後，再慢慢接出其他的GPIO來輔助debug，於是就變成了用一顆LED來除錯的工程師，現在想起來都覺得很瘋狂。但是面對時程的壓力，身為工程師當然是要想盡辦法達標，才能擦亮自己的招牌啊。

（本文轉載於實作派電子實驗室，原文連結；責任編輯：葉于甄）