使用Ozone调试基于nRF9160 Zephyr应用程序

Ozone是SEGGER免费的嵌入式软件调试器。它是一个强大的工具，可以让你深入了解嵌入式系统中发生的事情。它在调试nRF9160 Zephyr应用程序时特别有用。整理多个线程和多映像构建可能很困难，但这就是你想要的工具。

在我们之前的博文《采取下一步：在Zephyr上使用SEGGER Ozone和SystemView进行调试》中，Chris Gammell撰写了有关如何设置SEGGER Ozone项目，以调试在i.MX RT1060评估套件上运行的Zephyr应用程序。这是在Ozone中调试Zephyr应用程序和分析RTOS运行时行为的一个很好的介绍。

当我尝试设置一个类似的Ozone项目来调试Nordic nRF9160 SIP开发板时，我在此过程中遇到了一些困难。今天，我将分享我所学到的知识。

在本文中，我将介绍如何：

• 配置nRF9160 Zephyr应用程序以进行线程感知调试。

• 使用新建项目向导为nRF9160创建Ozone项目。

• 修改Ozone工程以支持调试nRF9160多映像构建。

硬件配置

在下面的示例中，我将使用Nordic nRF9160 DK板。这款来自Nordic的开发套件在电路板中内置了SEGGER J-Link OB调试器，因此不需要外部J-Link调试器来跟进示例（SEGGER Ozone需要J-Link支持）。

Zephyr中的线程感知的支持

在使用Golioth Zephyr SDK构建的典型Zephyr应用程序中，将有多个线程。例如，一个用于应用程序的主循环，一个用于Golioth系统客户端，其他用于UART shell、日志记录子系统、网络管理等。

SEGGER为Ozone提供了一个Zephyr RTOS插件，可以显示每个线程的状态，但它要求Zephyr固件在构建时支持线程感知调试。Zephyr提供了一个CONFIG_DEBUG_THREAD_INFO Kconfig符号，该符号指示内核维护所有线程的列表，线程名称在Ozone中可见。

虽然你可以简单地将CONFIG_DEBUG_THREAD_INFO=y添加到应用程序的prj.conf文件中，但你可能只想在构建时启用这些额外的调试信息。我们可以创建一个额外的debug.conf Kconfig文件，只有当我们将-DEXTRA_CONF_FILE=debug.conf参数传递给构建系统时，该文件才会被合并。

由于本文是关于使用Ozone进行线程感知调试的，因此我们将使用nRF Connect SDK Zephyr存储库中的zephyr/samples/basic/threads/应用程序作为本文的示例应用程序。

如果这是你第一次构建Zephyr示例应用程序之一，请确保先完成nRF Connect SDK安装，并确保你的开发环境设置正确。

如何启用线程感知

首先创建一个zephyr/samples/basic/threads/debug.conf文件并添加以下命令行：

zephyr/samples/basic/threads/debug.conf

CONFIG_DEBUG_THREAD_INFO=y
# CONFIG_DEBUG_THREAD_INFO needs the heap memory pool to
# be defined for this app
CONFIG_HEAP_MEM_POOL_SIZE=256

接下来，构建固件，指定需要的debug.conf文件并合并到构建配置中：

cd /
west build -p -b nrf9160dk_nrf9160_ns zephyr/samples/basic/threads/ -- -
DEXTRA_CONF_FILE="debug.conf"

如果构建成功完成，你将看到我们在Ozone中启动调试会话所需的build/zephyr/zephyr.elf 文件

创建Ozone项目

现在我们已经构建了固件，可以启动Ozone并使用New Project Wizard创建一个Ozone项目：

选择nRF9160_xxAA芯片。

选择使用J-Link仿真器。

选择build/zephyr/zephyr.elf该文件在前面讨论中构建生成。

其他这些选择缺省。

单击“Finish”后，您将看到Ozone项目窗口出现。在“Console”窗口中，运行以下命令以加载Zephyr RTOS插件：

Project.SetOSPlugin("ZephyrPlugin.js");

现在，应该在Ozone项目中看到一个新的“Zephyr”窗口（如果没有，请单击“View”→“Zephyr”以显示该窗口）：

最后，保存项目文件，点击“File”→“Save Project as…”：

启动调试会话

现在我们已经配置了Ozone项目，我们可以启动调试会话了。

点击“Debug”→“Start Debug Session”→“Download& Reset Pro”

奇怪的是，当固件开始运行时，将看到一个弹出窗口，指示目标已停止在HardFault异常状态！

此时，您可能想知道这里发生了什么......

这里有一个提示：答案与多映像构建有关。

缺少的步骤：

烧入合并的文件映像

你可能已经注意到，我们传递给west build（nrf9160dk_nrf9160_ns）的board参数以_ns结尾。此后缀表示固件将使用Trusted Firmware-M（TF-M）构建。这是ARM的IoT安全框架的参考实现，称为平台安全架构（PSA）。

TF-M使用nRF9160的Cortex-M33 MCU的ARM TrustZone安全功能将MCU划分为安全处理环境（SPE）和非安全处理环境（NSPE）。

简而言之，引导过程的工作原理如下：

1. 当MCU启动时，它开始在安全环境（SPE）中执行。

2. 引导过程可以选择从使用NSIB和/或MCUboot的安全引导加载程序链开始。

3. 如果使用，引导加载程序会启动TF-M，这会将MCU内存和外设的一部分配置为非安全。

4. TF-M启动在非安全环境（NSPE）中运行的Zephyr应用程序。

当我们针对_ns构建目标进行构建时，TF-M镜像会自动构建并与Zephyr应用程序链接。如果查看build/zephyr/输出目录，您将看到一个名为merged.hex的文件，这是一个合并文件，其中包含MCUboot引导加载程序（可选）、TF-M安全映像和非安全Zephyr应用程序。

修复Ozone项目文件

我们将直接在Ozone项目文件中进行一些更改，该文件可以通过单击“File”→“Edit Project File”在Ozone中打开：

烧写合并的映像

导航到Ozone项目文件的TargetDownload部分并添加以下内容，以将Ozone配置为刷写合并的图像（更改路径以匹配项目中的合并映像文件）：

/*********************************************************************
*
* TargetDownload
*
* Function description
* Replaces the default program download routine. Optional.
*
**********************************************************************
*/
void TargetDownload(void)
{
Exec.Download("$(ProjectDir)/build/zephyr/merged.hex");
}

修复矢量表和PC地址

导航到Ozone项目文件的_SetupTarget部分，然后进行以下更改：

1. 将vector table地址设置为0

2. 从vector表中读取入口点程序计数器地址

/*********************************************************************
*
* _SetupTarget
*
* Function description
* Setup the target.
* Called by AfterTargetReset() and AfterTargetDownload().
*
* Auto-generated function. May be overridden by Ozone.
*
**********************************************************************
*/
void _SetupTarget(void) {
unsigned int SP;
unsigned int PC;
unsigned int VectorTableAddr;
VectorTableAddr = 0;
//
// Set up initial stack pointer
//
SP = Target.ReadU32(VectorTableAddr);
if (SP != 0xFFFFFFFF) {
Target.SetReg("SP", SP);
}
//
// Set up entry point PC
//
PC = Target.ReadU32(VectorTableAddr + 4);
if (PC != 0xFFFFFFFF) {
Target.SetReg("PC", PC);
} else {
Util.Error("Project script error: failed to set up entry point PC", 1);
}
}

保存项目文件时，您应该会看到一个模式弹出窗口，询问您是否要重新加载项目。

选择“Yes”：

启动调试会话

映像文件烧入到芯片后，你应该可以看到调试器停在main位置：

点击“Debug”→“Continue”：

这次固件可以正常运行没有出现异常。

总结

希望这可以帮助你开始使用Ozone调试nRF9160。nRF9160在Zephyr项目中获得了完全支持，并在Golioth物联网设备管理平台中具有最高级别的支持。借助Golioth，你可以连接和保护设备、将传感器数据发送到Web、无线更新固件，以及使用IoT云扩展你的覆盖度。

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