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U-Boot 之二 详解使用 eclipse + J-Link 进行编译及在线调试

 看见就非常 2022-03-15

  在上一篇博文 U-Boot 之一 零基础编译 U-Boot 过程详解 及 编译后的使用说明 中，最后使用阶段遇到了一些错误，然后发现不能调试（靠打印信息）实在是难受，就开始摸索如何调试 U-Boot，于是就有了这篇博文。

  找了一下网上现有的资料，直接使用 GDB 命令行调试是一个选择，但是明显效率不高。于是开始探索直接使用 eclipse 对 U-Boot 进行编译及调试。发现网上有不少说明文章，但大多数都太老旧了，因此我决定重新整理一篇，使用的当前最新的工具环境如下：

  1. Ubuntu 20.04.3
  2. Eclipse IDE 2021-12 R Packages Eclipse IDE for Embedded C/C++ Developers
  3. U-boot 2021.10
  4. J-Link_Linux_V760b_x86_64.deb

下载安装 eclipse

  首先从官网下载最新的针对嵌入式 C/C++ 的 tar 包（现在 eclipse 针对不同开发环境提供了不同的包，我记得之前并没有分开）：Eclipse IDE for Embedded C/C++ Developers，地址：https://www./downloads/packages/release/2021-12/r/eclipse-ide-embedded-cc-developers，然后进行安装（解压）：
在这里插入图片描述
解压之后，我们在 /opt/eclipse/eclipse 目录（我这里先建立了 eclipse 文件夹导致多了一级，大家可以直接解压到 /opt）下直接双击运行 eclipse 程序即可。这里我们直接下载嵌入式专用的版本，主要是出于以下几点：

  1. 根据官网提示 “The Eclipse Installer 2021‑12 R now includes a JRE for macOS, Windows and Linux.” ，我们不用再安装 Java 运行时 了。解压后直接使用就可以了。
  2. 包含了一些嵌入式使用的插件（例如 J-Link、OpenOCD 等调试插件 ），这省了我们在去安装这些插件。例如，选择 Eclipse IDE for C/C++ Developers，然后去安装各种插件。

进一步，我们可以选择建立一个 eclipse 的快捷方式，方便后续启动：

  1. 新建 sudo gedit /usr/share/applications/eclipse.desktop
  2. 输入以下内容：
    [Desktop Entry]
Encoding=UTF-8
Name=Eclipse
Comment=Eclipse IDE
Exec=/opt/eclipse/eclipse/eclipse
Icon=/opt/eclipse/eclipse/icon.xpm
Terminal=false
StartupNotify=true
Type=Application
Categories=Application;Development;
  3. 赋予执行权限 sudo chmod u+x /usr/share/applications/eclipse.desktop
  4. 以上步骤之后我们就可以在桌面最左下角的菜单中找到 eclipse 了。当然还可以在进一步，将 /usr/share/applications/eclipse.desktop 复制到桌面，然后赋予执行权限（应该是还需要右键鼠标，选择 Allow Launching）。

附 tar 命令：

 # 压缩
 tar -czvf ***.tar.gz
 tar -cjvf ***.tar.bz2
 # 解压缩
 tar -xzvf ***.tar.gz
 tar -xjvf ***.tar.bz2
 # 参数
-c  ：建立一个压缩档案的参数指令(create 的意思)；
-x  ：解开一个压缩档案的参数指令！
-t  ：查看 tarfile 里面的档案！特别注意，在参数的下达中， c/x/t 仅能存在一个！不可同时存在！因为不可能同时压缩与解压缩。
-z  ：是否同时具有 gzip 的属性，亦即是否需要用 gzip 压缩
-j  ：是否同时具有 bzip2 的属性，亦即是否需要用 bzip2 压缩
-v  ：压缩的过程中显示档案！这个常用，但不建议用在背景执行过程！
-f  ：使用档名。注意，在 f 之后要立即接档名，不要再加参数！例如使用『 tar -zcvfP tfile sfile 』就是错误的写法，要写成『 tar -zcvPf tfile sfile 』才对！
-p  ：使用原档案的原来属性（属性不会依据使用者而变）
-P  ：可以使用绝对路径来压缩！
-N  ：比后面接的日期(yyyy/mm/dd)还要新的才会被打包进新建的档案中！

下载安装 J-Link 驱动

  这个就相当简单了，SEGGER 提供了安装包，直接从 https://www./downloads/J-Link/ 下载对应的的 linux 的安装包（例如我的 Ubuntu 对应 64-bit DEB Installer），然后双击安装就可以了。安装之后默认位置是 ./opt/SEGGER 目录下。
在这里插入图片描述
里面的可执行程序都没有对应的桌面图标，运行后在左侧的工具栏上也是黑乎乎的。使用时直接使用命令行或者到目录下双击对应的可执行程序即可。

配置 eclipse

  eclipse 的配置分为全局、工作区、项目，优先级前者最低后者最高（后者会覆盖前者）。对于一些通用的配置（例如我们安装的 J-Link 驱动，无论工作区还是项目，应该都用一个），eclipse 推荐直接在全局或者工作区中配置，项目直接继承使用全局或工作区的配置就可以了。 启动 eclipse 会提示选择工作区，默认可以选择不再提示。
在这里插入图片描述
启动之后，直接 菜单 --> Window --> Preferences 打开配置界面，我们主要是配置更改 MCU 这个目录（这个好像是由于我们用的嵌入式版 eclipse 自带了 CDT 插件才有这个）下的内容，其他的配置项则根据自己的需要自行修改即可。具体如下：
在这里插入图片描述
我这里仅仅配置了编译工具链和 J-Link 的安装位置。之所以这里选择对全局配置项进行配置，主要还是方便在后续建立项目之后，项目自动继承这些配置，方便减少很多操作。

  这里再次说明，由于我们选择的是嵌入式专用的 eclipse（Eclipse IDE for Embedded C/C++ Developers ），因此，我们不需要安装 CDT 插件等操作。否则光是配置 eclipse 内容就挺多！

安装 CMSIS-Packs

  CMSIS Pack 是 ARM 为 Cortex-M 核定义的一个规范，是一种有效的封装技术，目前支持近 9000 种不同的微控制器。它们为软件组件、设备参数和评估板支持提供了一种交付机制。软件包（文件集合）包括：

  • 源代码、头文件和软件库
  • 文档和源代码模板
  • 设备参数以及启动代码和编程算法
  • 示例工程

  用过 MDK-ARM（Keil）的应该很熟悉，这个东西不仅可以在 MDK-ARM（Keil）中使用，现在 eclipse、IAR 都集成了 CMSIS Pack，通过 CMSIS Pack 我们可以在线安装一些芯片的包。

   这里我们之所以安装 CMSIS Pack（确切的说是安装 CMSIS Pack 中提供的芯片的包），是因为从中我们可以获取到芯片的 SVD 文件，而 SVD 文件中记录了芯片中各种外设的寄存器，在调试时非常有用！如果不使用 SVD 文件，调试器将无法获取芯片中外设的寄存器，只能显示 ARM 核中的几个寄存器。

   eclipse 中安装非常简单，但是由于访问的是国外的服务器，速度相当慢（那些包都挺大的），而且经常出现某些芯片下载不下来报错。如果出现报错直接选择忽略即可。具体操作如下图所示：
在这里插入图片描述
  CMSIS Pack 的安装位置可以在 菜单--> Window-->Preferences --> C/C++ --> MCU Packages 下找到及更改。查看其中的内容，其实就是 Keil 中的那一套东西，因此一种变通的方法是将下载好的内容直接放到上面的目录中即可。SVD 文件就位于 CMSIS-Packs\Keil\STM32F7xx_DFP\2.14.1\CMSIS\SVD 目录下。
在这里插入图片描述
注意，上面的这个目录应该是个隐藏文件夹！

编译 U-Boot

新建项目

  准备好以上环境及工具之后，就可以直接建立项目了，对于 U-Boot ，我们选择 Makefile Project with Existing Code。我这里把步骤尽量把步骤合并到一张图，以节约篇幅。具体步骤如下图所示：
在这里插入图片描述
  其中，我们选择的编译工具链是 Arm Cross GCC。这里的选择主要是让 eclipse 能够主动使用适合我们的一些配置。如果选择其他的，后续也可以再次进行更改（步骤会多一些）。

注意，如果选择在配置章节说的已经在配置了全局或者工作区，下面有些配置其实可以不用更改。我这里就以没有配置来进行演示（覆盖全局配置），对于全局配置有影响的地方单独说明一下。

  点击 Finish 之后，默认在选择的源代码目录下新建两个（隐藏）文件：.cproject 和 .project，这两个就是 eclipse 记录的项目配置信息文件（我之前以为会和 Windows 上的一些软件（例如 vs）似得放到选择的工作区目录下，要不然我选择工作区干啥！）。

项目配置

  点击右键菜单最下面的 Properties （也可以通过 菜单 --> Project --> Properties）之后，就打开了项目的配置页面，接下来就是更改一些项目专用的配置了。下面我们一步步说明需要做哪些更改：

  1. 新增环境变量。具体操作如下图所示：
    在这里插入图片描述
    环境变量下原有的两个 CMD、PWD 我们不用管它（PATH 变量默认也应该有，不知为何我这里没有）。我们最终需要新增三个环境变量 ARCH、CROSS_COMPILE、PATH（如果没有的话），其中， ARCH 和 CROSS_COMPILE 就是我们使用命令行编译时指定的。PATH 主要是告诉 eclipse 我们是用的工具的位置。
      这里需要特殊注意 PATH 的值。我们需要先通过上面的 Variables 找到系统 PATH 变量，然后点击 OK，此时，eclipse 就会导入系统环境变量的值。我们需要编辑它，在其中添加我们自己的编译工具链位置（我这里是 /usr/share/gcc-arm-none-eabi-10.3.2021.10/bin，注意，bin 目录不止一个），否则在编译时会提示找不到相关工具。注意，如果在上面说的全局设置中已经添加了编译器的路径，这里不用再次添加。 最终添加后如下所示：
    在这里插入图片描述
    我们添加的编译器路径用于让 eclipse 找到编译器，其他原有的系统环境变量可以让 eclipse 找到 make 程序。此外，最下面的 Append xxx 这句不要去掉。

  2. 更改我们使用的编译工具链以及选择使用的芯片。
    在这里插入图片描述
    如果没有配置全局编译器路径，这里必须单独配置；如果设置了这里就会自动读取全局设置的编译工具链，查看一下是否正确即可。如果这里选择了芯片，在调试的时候会省略一些配置。

  3. [可选] 不使用 CDT 内建的编译工具链的相关设置（因为我们更换了编译工具链），注意，这里不更换也没啥问题！
    在这里插入图片描述

  4. 新增我们自己的编译工具链的头文件路径。每一个编译工具链下都会有 include 文件夹用来存放编译器使用的各种头文件。需要注意的是， include 可能会有好几个，最好都添加上。如果在全局中配置了编译器路径，eclipse 就会自动识别指定的编译工具的相关头文件，这里就可以不用设置。
    在这里插入图片描述

  5. [可选] 开启并行编译。就是指定 make -jn 参数（n 根据处理器来定） 。eclipse 配置如下：
    在这里插入图片描述

  6. [可选] 增加 make stm32f769-disco_defconfig步骤。完整的构建 U-Boot 的步骤中，第一步是生成 .config 文件，而后是 make menuconfig，最后才是 make。如果不添加到 eclipse ，则需要先用命令行执行以上步骤，否则 eclipse 会提示错误。
    在这里插入图片描述
    具体添加如下：
    在这里插入图片描述
    之后，我们就可以在 菜单 --> Project --> Build Targets --> Build 中直接点击上面的配置，执行这一步了。

  7. [可选] 修改 make clean。默认情况下，我们执行 Clean 时，使用是 make clean，而我们编译 U-Boot 一般使用 make distclean。这个是 eclipse 默认的设置，我们可以通过如下位置进行修改：
    在这里插入图片描述
    此外，还可以参考第 6 步中新建一个 Build Targets，只是使用起来没有上面这个方式简单。我第 6 步的图示中已经建立好了！

编译

经过以上步骤，完整的 U-Boot 编译环境就搭建好了，接下来就可以在 eclipse 中构建 U-Boot 了。
在这里插入图片描述

调试 U-Boot

J-Link 连接开发板

  调试之前肯定是先把 J-Link 连接到开发板（开发板上有个 20 针脚的 JTAG/SWD 调试接口），确保连接正确。测试连接具体可以使用我们安装的 J-Link 驱动里相应的工具：JFlashExe，新建一个 STM32F769 芯片的项目，然后连接一下：
在这里插入图片描述
提示 Connected successfully 即可。

eclipse 调试相关配置

  连接没有问题之后，接下来就是配置 eclipse 了：菜单 --> Run --> Debug Configuration...，总的来说配置并不麻烦，我这里使用是 J-Link，因此，选择 GDB SEGGER J-link Debugging，然后点击上面的新建图标（或者直接双击 GDB SEGGER J-link Debugging）就会出现一个新的配置，具体步骤如下图所示：
在这里插入图片描述
  需要注意的就是选择 C/C++ Application 这一项，我们需要从众多执行程序中选择出我们最终需要 u-boot（这个是最终编译出的带调试信息的，不是 u-boot.bin。具体见博文U-Boot 之三 U-Boot 源码文件解析及移植过程详解）。接下来就是配置界面中剩下的Debugger、Startup、Source、Common、SVD Path 这 5 个 Tab 页面内容，下面我直接上图来说明每个页面需要的配置：

  1. Main、Debugger、Startup
    在这里插入图片描述
    如果已经在全局配置中设置了J-Link 的路径，这里默认是会自动读取全局的配置的 J-Link，不用更改也可以。当然这里再选择一下肯定没有问题。芯片类型如果在构建时选择了芯片，这里也会自动填上选择的芯片。还有就是 Startup --> Setbreakpoint at: 这个默认是 mian，但是 U-Boot 默认没有 main，这里根据实际情况选择。直接 reset，简单粗暴！还有可以使用 _main。
  2. Source、Common、SVD Path
    在这里插入图片描述
    如果按照前面说的安装了 CMSIS-Packs，那么这里就可以找到对应芯片的 SVD 文件，选择 SVD 文件之后，我们在调试时就可以查看外设寄存器的值，否则将无法查看！如下图所示：
    在这里插入图片描述
      注意，eclipse 寄存器分为两部分：Registers 窗口中是 ARM Cortex 核的寄存器（例如，R0、PC），Peripherals 下面就是我们的 SVD 文件中描述的外设寄存器。

U-Boot 调试修改

开启调试选项

  默认情况下，U-Boot 的编译已经进行了优化，且默认并不开启调试的，因此我们需要更改一下 U-Boot 的配置。第一个是需要取消 General Setup --> Optimise for size，在一个就是开启 General Setup --> Configure standard U-Boot features (expert users) -> enable debug information for tools，具体如下图所示：
在这里插入图片描述
  这里需要注意，如果使用 make distclean 会清理所有文件，这就会导致以上的配置被清理！所以除非必要，否则还是使用 make clean 好一些。目前来看 make menuconfig 这一步还是需要在终端中执行。

  警告：目前我在测试中发现，去掉 General Setup --> Optimise for size 可能导致程序无法运行，暂时没找到解决方法！我目前是在仅开启了 General Setup --> Configure standard U-Boot features (expert users) -> enable debug information for tools 的情况进行调试的。就是偶尔会出现断点位置不正确，不影响正常调试！

  这里有个比较严重的问题，去掉 General Setup --> Optimise for size 之后，会导致程序变大，从而原来默认的 SPL 的大小（0x8000）不能容纳实际 SPL 大小，进一步导致了 U-Boot 无法启动。因此，这里我们必须要修改 U-Boot 的基地址。目前，有如下地方需要修改（图里面的 stm32f769-eval 是我移植的，上文暂时还没有更换）：
在这里插入图片描述

修改设备树配置

  接下来还有个问题：在启动调试之后，调试的程序在调试时只能执行一部分代码，此后就会失败，而且如果不调试想要直接运行是无法直接启动！具体现象如下图所示：
在这里插入图片描述
根本原因是由于调试的程序有没有设备树！默认情况下，U-Boot 的可执行程序是 bin 后拼接上 dtb 组成的，而我们调试的程序只有 bin，没有 dtb！解决方法如下有如下两种：

  • 将设备树直接编译进 U-Boot 的 bin 文件中，而不是将 设备树单独出来！U-Boot 本身就有这方面的配置，具体如下：
    在这里插入图片描述
    如果执行过 make distclean 那么每次都需要重新配置上面的选项。
  • 在 eclipse 中指定设备树地址。如果使用的是 U-Boot 默认的分离设备树模式，那么在编译成功之后，会在源码的根目录下生成 u-boot.dtb ，这个就是设备数编译之后的文件，而我们可执行程序的结束地址可以从源码的根目录下的 u-boot.map 文件中的 __end 符号找到。
    在这里插入图片描述
    有了 u-boot.dtb 和 __end 之后，我们就可以在 eclipse 中通过命令来解决：
    在这里插入图片描述
    如果 U-Boot 的可执行程序大小有变化，每次都需要更改这里！而且在刚开始启动调试时，eclipse 会报一个错误，稍等一会即可正常进入调试。

  经过以上两种方法的任意一种，再次启动调试时，就可以正常执行 board_inti_f 这个函数了！注意，由于这个函数里包含很多接口，执行速度可能有些慢！

重定位配置

  接下来的问题就是内存重定位，U-Boot 中存在一段内存重定位的代码，重定位之后将导致调试失败！这主要是因为，在重定位之后，eclipse 正确加载符号表中的各符号。
在这里插入图片描述
  目前，我还没有找到比较好的解决方法，官网推荐的方法是 使用 gdb 命令行来手动加载符号表 。命令非常简单：add-symbol-file u-boot 重定位后的地址。重定位后的地址就位于 gd 中的成员变量 unsigned long relocaddr; 中。
在这里插入图片描述

调试

  经过上面的配置之后，我们就可以使用 eclipse 对 U-Boot 进行调试了。这里需要注意的是，我们调试的如果是 U-Boot 本身，需要现将 SPL 烧写好，当然我们也可以调试 SPL。启动调试如下图所示：
在这里插入图片描述

参考

  1. https:///debugging-using-segger-j-link-jtag/
  2. https://www.cnblogs.com/humaoxiao/p/4166230.html
  3. https:///blog/2021/09/19/how-to-debug-u-boot/
  4. https://community./products/devtools/single-board-computers/riotboard/b/blog/posts/automate-uboot-build-with-eclipse
  5. https:///article/68662419084/

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