假日嵌入式系統工程師：SEGGER RTT (1)
假日嵌入式系統工程師：SEGGER RTT (1)
UART真的很麻煩 (Target-Side)
從我學C語言開始，我認定最好用的debug工具叫printf()。在嵌入式系統的世界，一般我們會用UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)來印出printf()。幾年下來，學的東西稍微多一點以後，我實在是越來越討厭這東西。
- 首先UART很慢，9600bps傳1byte大概要0.1ms。如果CPU跑在16Mhz，代表1byte需要1600 CPU cycles。
- 一般的UART硬體緩衝區都少得可憐(16550 UART, 16bytes)，一般embedded MCU只有4bytes這種數量級。如果用polling簡單實作的UART driver，MCU跑BLE這種應用時，根本不可能透過UART丟訊息。
- 另一招是UART-IRQ功能，在buffer快光的時候打中斷出來，然後再塞資料給他。這需要額外的工作去搞定這個模式。而且還需要設計一個ring buffer來當write buffer存字串。
- 為了要有(3)描述的先進功能，我們還得逐一搞定UART HW。更天怒人怨的是：這東西每顆晶片玩都還不一樣。
- 最後一點和UART無關，只是printf()合成字串也要花不少時間，沒準還得準備個小型的C library，不然Code size可能無法接受。
UART在PC更麻煩
1994年USB推出以後，配備COM port的電腦大概已經絕跡了15年以上了。其實也不是絕跡，想要還是有的。不要問我怎麼讓他會動，很麻煩的！現代流行的貨色是UART轉USB的晶片，有家叫FTDI的公司，或著台灣的旺玖也有做這種產品。2016年買得到的開發板，上面都會有這種晶片。不過這個解法還是不夠完美。
要看到開發版丟出的資訊，一般會開個叫做"TeraTerm"的程式，人類需要設定底下的參數：
- UART速度
- COM port編號
- Start bits數目
- Data bits數目
- End bits數目
- Parity bit是否存在
這些參數真的很不直覺，開發嵌入式系統這麼多年了，每次我都會遲疑。這裡面最討厭的是COM port編號，就算是同一片板子，只要插的USB孔不一樣，編號也會變。每次都得開裝置管理員做插拔測試，才找得到port編號。
SEGGER RTT Introduction
每次我拿到新的開發版，為了要印出我最愛的"Hello World"，我就得搞定UART介面。一般我會先用polling先丟出來再說，只是這方法真的很醜又很爛。IRQ的招數要花時間，而且很容易出錯 (搞定IRQ永遠比較麻煩)。我個人的美感不允許我用很爛的招數(polling)，但我又懶得搞定UART IRQ，最後這片板子就被我丟一邊了。
我要感謝ARM的AHB-AP，其實我不知道他是什麼(笑)。但我知道他能讓Debugger在不中斷CPU的前提下，讀取系統記憶體。更精確一點，MCU正在執行程式，同時SEGGER-JLINK能讀寫系統記憶體。這個能力真的超讚的！！底下解釋為什麼我這麼愛這個功能。
SEGGER-RTT在MCU裡實作了一個ring buffer，看起來像下面這樣：
struct {
u8 token[12];
u8 buf[1024];
u32 wptr; // MCU updates when write to buf[]
u32 rptr; // PC updates the value
} ring_buf;
MCU要丟字串出去，就去關中斷，寫buf[]，以及更新wptr即可。這些操作潮快的 (<30 cycles)，大概比UART@9600bps快50x倍。
ring_buf rtt = {
.token = "SEGGER-RTT"; // Special token enables SEGGER-JLINK to find structure
};
rtt_write_char(char c)
{
disable_irq();
rtt.buf[rtt.wptr] = c;
rtt.wptr = (rtt.wptr+1) & (1024-1); // ring buffer management
enable_irq();
}
SEGGER-JLINK會透過AHB-AP掃描data memory，尋找SEGGER-RTT關鍵字，這樣就能定位ring buffer address。接下來SEGGER-JLINK就會定時起來去讀一下RTT的wptr/ rptr，看看是不是有資料等著PC抽走：
check_target_buf()
{
u8 local_buf[32KB];
u8 *ptr = &local_buf;
u32 wptr = read_target_memory(rtt.wptr);
u32 rptr = read_target_memory(rtt.rptr);
while(wptr != rptr) {
*ptr++ = read_target_memory(rtt.buf[rptr]);
rptr = (rptr + 1) & 1023;
}
write_target_memory(rtt.rptr, rptr); // updates rptr
}
上面這段code讀到buffer內容以後，就可以把資料印出來，或著做後處理，看要什麼都行。
和最高速的UART-IRQ相比，兩招都需要ring buffer放字串，寫ring buffer沒什麼大問題。不過UART-IRQ需要MCU介入搬資料 (從rtt.buf[]搬到UART-TX buffer)。如果是RTT版，資料搬移是PC和SEGGER-JLINK做掉，MCU本體不用浪費code & cycle做這個事。從這個角度來看，RTT版的Logging system，額外開銷比較低。
MCU應用很在乎腳位數，RTT是架在SWD (Serial Wire Debug)介面上，這個介面只有兩根腳 {SWDIO, SWCLK}。我們本來就需要SWD來燒code或做debugging，所以RTT不需要增加腳位。如果是UART，還需要額外兩根線 {RX, TX} 才有log可以看。以腳位數來看，RTT完勝。
RTT最大的死穴是$$，最便宜的SEGGER JLINK-EDU也要80塊美金。但是FTDI的USB轉UART我猜不用10塊美金；沒名氣的晶片價格可以更低(笑)。
我自己有買SEGGER JLINK-EDU，而且現在的開發版很多都內建JLINK，比如Nordic這片NRF51-DK，更不用說大陸謎版的開發版，上面的J-Link幾乎是免費送。我自己用過RTT以後，就完全沒再考慮用UART了。
下一篇文章，我會介紹怎麼移植SEGGER-RTT到開發版上頭。
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