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JTAG 调试
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:link_to_translation:`en:[English]`
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本文将指导安装 ESP32 的 OpenOCD 调试环境,并介绍如何使用 GDB 来调试 ESP32 的应用程序。本文的组织结构如下:
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:ref:`jtag-debugging-introduction`
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介绍本指南主旨。
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:ref:`jtag-debugging-how-it-works`
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介绍 ESP32,JTAG(Joint Test Action Group)接口,OpenOCD 和 GDB 是如何相互连接从而实现 ESP32 的调试功能。
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:ref:`jtag-debugging-selecting-jtag-adapter`
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介绍有关 JTAG 硬件适配器的选择及参照标准。
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:ref:`jtag-debugging-setup-openocd`
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介绍如何安装官方预编译好的 OpenOCD 软件包并验证是否安装成功。
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:ref:`jtag-debugging-configuring-esp32-target`
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介绍如何设置 OpenOCD 软件并安装 JTAG 硬件适配器,这两者共同组成最终的调试目标。
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:ref:`jtag-debugging-launching-debugger`
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介绍如何从 :ref:`Eclipse 集成开发环境 <jtag-debugging-using-debugger-eclipse>` 和 :ref:`命令行终端 <jtag-debugging-using-debugger-command-line>` 启动 GDB 调试会话。
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:ref:`jtag-debugging-examples`
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如果你对 GDB 不太熟悉,本小节会分别针对 :ref:`Eclipse 集成开发环境 <jtag-debugging-examples-eclipse>` 和 :ref:`命令行终端 <jtag-debugging-examples-command-line>` 来讲解调试的范例。
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:ref:`jtag-debugging-building-openocd`
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介绍如何在 :doc:`Windows <building-openocd-windows>`,:doc:`Linux <building-openocd-linux>` 和 :doc:`MacOS <building-openocd-macos>` 操作系统上从源码构建 OpenOCD。
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:ref:`jtag-debugging-tips-and-quirks`
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介绍使用 OpenOCD 和 GDB 通过 JTAG 接口调试 ESP32 时的注意事项和补充内容。
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.. _jtag-debugging-introduction:
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引言
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ESP32 具有两个强大的 Xtensa 内核,支持多种程序架构。ESP-IDF 自带的 FreeRTOS 操作系统具有多核抢占式多线程的功能,它允许用户以更加直观的方式编写软件。
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与此相对地,简便的编程方式会给程序的调试带来困难(如果没有合适的工具),比如找出由两个线程引起的错误,并且这两个线程在单独的 CPU 核上同时运行,仅凭 ``printf`` 语句会花费很长的时间来定位到该错误。在大多数情况下,调试此类问题更快的方法是使用调试器,连接到处理器的调试端口。
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乐鑫已经为 ESP32 处理器和多核 FreeRTOS 架构移植好了 OpenOCD,它将成为大多数 ESP32 应用程序的基础。此外,乐鑫还提供了一些 OpenOCD 本身并不支持的工具来进一步丰富调试的功能。
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本文将指导如何在 Linux,Windows 和 MacOS 环境下为 ESP32 安装 OpenOCD,并使用 GDB 进行软件调试。除了个别操作系统的安装过程有所差别以外,软件用户界面和使用流程都是一样的。
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.. note::
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本文使用的图片素材来自于 Ubuntu 16.04 LTE 上 Eclipse Neon 3 软件的截图,不同的操作系统(Windows, MacOS 或者 Linux)和 Eclipse 软件版本在用户界面上可能会有细微的差别。
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.. _jtag-debugging-how-it-works:
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工作原理
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通过 JTAG(Joint Test Action Group)接口使用 OpenOCD 调试 ESP32 时所需要的一些关键的软件和硬件包括 **xtensa-esp32-elf-gdb
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调试器**,**OpenOCD 片上调试器** 和连接到 **ESP32** 目标的 **JTAG 适配器**。
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.. figure:: ../../../_static/jtag-debugging-overview_zh.jpg
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:align: center
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:alt: JTAG debugging - overview diagram
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:figclass: align-center
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JTAG 调试 - 概述图
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在 “Application Loading and Monitoring” 下还有另外一组软件和硬件,它们用来编译、构建和烧写应用程序到 ESP32 上,以及监视来自 ESP32 的运行诊断信息。
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`Eclipse <https://www.eclipse.org/>`__ 环境集成了 JTAG 调试和应用程序加载、监视的功能,它使得软件从编写、编译、加载到调试的迭代过程变得更加快速而简单。所有的软件均适用于 Windows,Linux 和 MacOS 平台。
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如果你使用的是 :doc:`ESP-WROVER-KIT 开发板 <../../hw-reference/modules-and-boards>`,得益于板载的 FT232H 芯片,PC 和 ESP32 的连接仅仅需要一根 USB 线即可完成。FT232H 提供了两路 USB 通道,一路连接到 JTAG,另一路连接到 UART。
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根据用户的喜好,除了使用 Eclipse 集成开发环境,还可以直接在命令行终端运行 `debugger` 和 `idf.py build`。
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.. _jtag-debugging-selecting-jtag-adapter:
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选择 JTAG 适配器
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上手 JTAG 最快速便捷的方式是使用 :doc:`ESP-WROVER-KIT 开发板 <../../hw-reference/modules-and-boards>`,因为它板载了 JTAG 调试接口,无需使用外部的 JTAG 硬件适配器和额外的线缆来连接 JTAG 与 ESP32。ESP-WROVER-KIT 采用 FT2232H 提供的 JTAG 接口,可以稳定运行在 20 MHz 的时钟频率,外接的适配器很难达到这个速度。
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如果你想使用单独的 JTAG 适配器,请确保其与 ESP32 的电平电压和 OpenOCD 软件都兼容。ESP32 使用的是业界标准的 JTAG 接口,它省略了(实际上也并不需要)TRST 信号脚。JTAG 使用的 IO 引脚由 VDD_3P3_RTC 电源引脚供电(通常连接到外部 3.3 V 的电源轨),因此 JTAG 硬件适配器的引脚需要能够在该电压范围内正常工作。
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在软件方面,OpenOCD 支持相当多数量的 JTAG 适配器,可以参阅 `OpenOCD 支持的适配器列表 <http://openocd.org/doc/html/Debug-Adapter-Hardware.html>`_ (尽管上面显示的器件不太完整),这个页面还列出了兼容 SWD 接口的适配器,但是请注意,ESP32 目前并不支持 SWD。此外那些被硬编码为只支持特定产品线的 JTAG 适配器也不能在 ESP32 上工作,比如用于 STM32 产品家族的 ST-LINK 适配器。
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JTAG 正常工作至少需要连接的信号线有:TDI,TDO,TCK,TMS 和 GND。某些 JTAG 适配器还需要 ESP32 提供一路电源到适配器的某个引脚上(比如 Vtar)用以设置适配器的工作电压。SRST 信号线是可选的,它可以连接到 ESP32 的 CH_PD 引脚上,尽管目前 OpenOCD 对该信号线的支持还非常有限。
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.. _jtag-debugging-setup-openocd:
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安装 OpenOCD
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.. highlight:: bash
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如果你已经按照 :doc:`快速入门 <../../get-started/index>` 一文中的介绍安装好了 ESP-IDF 及其 CMake 构建系统,那么 OpenOCD 已经被默认安装到了你的开发系统中。在 :ref:`设置开发环境 <get-started-set-up-env>` 结束后,你应该能够在终端中运行如下 OpenOCD 命令::
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openocd --version
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.. highlight:: none
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终端会输出以下信息(实际版本号可能会比这里列出的更新)::
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Open On-Chip Debugger v0.10.0-esp32-20190708 (2019-07-08-11:04)
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Licensed under GNU GPL v2
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For bug reports, read
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http://openocd.org/doc/doxygen/bugs.html
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你还可以检查 ``OPENOCD_SCRIPTS`` 环境变量的值来确认 OpenOCD 配置文件的路径,Linux 和 macOS 用户可以在终端输入 ``echo $OPENOCD_SCRIPTS``,Windows 用户需要输入 ``echo %OPENOCD_SCRIPTS%``。如果终端打印了有效的路径,则表明 OpenOCD 已经被正确安装。
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如果上述步骤没有成功执行,请返回快速入门手册,参考其中 :ref:`设置安装工具 <get-started-set-up-tools>` 章节的说明。
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.. note::
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另外,我们还可以从源代码编译 OpenOCD 工具,相关详细信息请参阅 :ref:`jtag-debugging-building-openocd` 章节。
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.. _jtag-debugging-configuring-esp32-target:
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配置 ESP32 目标板
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安装好 OpenOCD 之后就可以配置 ESP32 目标(即带 JTAG 接口的 ESP32 板),具体可以通过以下三个步骤进行:
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- 配置并连接 JTAG 接口
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- 运行 OpenOCD
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- 上传待调试的应用程序
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配置并连接 JTAG 接口
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~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
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此步骤取决于您使用的 JTAG 和 ESP32 板,请参考以下两种情况。
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.. toctree::
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:maxdepth: 1
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configure-wrover
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configure-other-jtag
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.. _jtag-debugging-run-openocd:
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运行 OpenOCD
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~~~~~~~~~~~~
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配置完目标并将其连接到电脑后,即可启动 OpenOCD。
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.. highlight:: bash
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打开终端,按照快速入门中的指南 :ref:`设置好开发环境 <get-started-set-up-env>` ,然后运行如下命令,启动 OpenOCD(该命令在 Windows,Linux,和 macOS 中通用)::
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openocd -f board/esp32-wrover-kit-3.3v.cfg
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.. note::
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上述命令中 ``-f`` 选项后跟的配置文件专用于板载 :ref:`ESP-WROOM-32 <esp-modules-and-boards-esp32-wroom-32>` 模组的 ESP-WROVER-KIT 开发板。您可能需要根据具体使用的硬件而选择或修改不同的配置文件,相关指导请参阅 :ref:`jtag-debugging-tip-openocd-configure-target`。
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.. highlight:: none
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现在应该可以看到如下输入(此日志来自 ESP-WROVER-KIT)::
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user-name@computer-name:~/esp/esp-idf$ openocd -f board/esp32-wrover-kit-3.3v.cfg
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Open On-Chip Debugger v0.10.0-esp32-20190708 (2019-07-08-11:04)
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Licensed under GNU GPL v2
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For bug reports, read
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http://openocd.org/doc/doxygen/bugs.html
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none separate
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adapter speed: 20000 kHz
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force hard breakpoints
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Info : ftdi: if you experience problems at higher adapter clocks, try the command "ftdi_tdo_sample_edge falling"
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Info : clock speed 20000 kHz
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Info : JTAG tap: esp32.cpu0 tap/device found: 0x120034e5 (mfg: 0x272 (Tensilica), part: 0x2003, ver: 0x1)
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Info : JTAG tap: esp32.cpu1 tap/device found: 0x120034e5 (mfg: 0x272 (Tensilica), part: 0x2003, ver: 0x1)
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Info : esp32: Debug controller was reset (pwrstat=0x5F, after clear 0x0F).
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Info : esp32: Core was reset (pwrstat=0x5F, after clear 0x0F).
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- 如果出现指示权限问题的错误,请参阅 ``~/esp/openocd-esp32`` 目录下 OpenOCD README 文件中关于 “Permissions delegation” 的说明。
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- 如果发现配置文件有错误,例如 ``Can't find board/esp32-wrover-kit-3.3v.cfg``,请检查 ``-s`` 后面的路径,OpenOCD 会根据此路径来查找 ``-f`` 指定的文件。此外,还需要检查配置文件是否确实位于该路径下。
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- 如果看到 JTAG 错误(输出全是 1 或者全是 0),请检查硬件连接,除了 ESP32 的引脚之外是否还有其他信号连接到了 JTAG,并查看是否所有器件都已经上电。
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.. _jtag-upload-app-debug:
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上传待调试的应用程序
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您可以像往常一样构建并上传 ESP32 应用程序,具体请参阅 :ref:`get-started-build` 章节。
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除此以外,还支持使用 OpenOCD 通过 JTAG 接口将应用程序镜像烧写到闪存中,命令如下::
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openocd -f board/esp32-wrover-kit-3.3v.cfg -c "program_esp filename.bin 0x10000 verify exit"
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其中 OpenOCD 的烧写命令 ``program_esp`` 具有以下格式:
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``program_esp <image_file> <offset> [verify] [reset] [exit]``
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- ``image_file`` - 程序镜像文件存放的路径
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- ``offset`` - 镜像烧写到闪存中的偏移地址
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- ``verify`` - 烧写完成后校验闪存中的内容(可选)
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- ``reset`` - 烧写完成后重启目标(可选)
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- ``exit`` - 烧写完成后退出 OpenOCD(可选)
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现在可以进行应用程序的调试了,请按照以下章节中讲解的步骤进行操作。
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.. _jtag-debugging-launching-debugger:
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启动调试器
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ESP32 的工具链中带有 GNU 调试器(简称 GDB) ``xtensa-esp32-elf-gdb``,它和其它工具链软件存放在同一个 bin 目录下。除了直接在命令行终端中调用并操作 GDB 外,还可以在 IDE (例如 Eclipse,Visual Studio Code 等)中调用它,在图形用户界面的帮助下间接操作 GDB,无需在终端中输入任何命令。
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关于以上两种调试器的使用方法,详见以下链接。
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* :ref:`jtag-debugging-using-debugger-eclipse`
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* :ref:`jtag-debugging-using-debugger-command-line`
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建议首先检查调试器是否能在 :ref:`命令行终端 <jtag-debugging-using-debugger-command-line>` 下正常工作,然后再转到使用 Eclipse 等 :ref:`集成开发环境 <jtag-debugging-using-debugger-eclipse>` 下进行调试工作。
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.. _jtag-debugging-examples:
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调试范例
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本节适用于不熟悉 GDB 的用户,将使用 :example:`get-started/blink` 下简单的应用程序来演示 :ref:`调试会话的工作流程 <jtag-debugging-examples-eclipse>`,同时会介绍以下常用的调试操作:
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1. :ref:`jtag-debugging-examples-eclipse-01`
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2. :ref:`jtag-debugging-examples-eclipse-02`
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3. :ref:`jtag-debugging-examples-eclipse-03`
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4. :ref:`jtag-debugging-examples-eclipse-04`
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5. :ref:`jtag-debugging-examples-eclipse-05`
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6. :ref:`jtag-debugging-examples-eclipse-06`
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7. :ref:`jtag-debugging-examples-eclipse-07`
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此外还会提供 :ref:`在命令行终端进行调试 <jtag-debugging-examples-command-line>` 的案例。
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在演示之前,请设置好 ESP32 目标板并加载 :example:`get-started/blink` 至 ESP32 中。
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.. _jtag-debugging-building-openocd:
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从源码构建 OpenOCD
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请参阅以下文档,它们分别介绍了在各大操作系统平台上从源码构建 OpenOCD 的流程。
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.. toctree::
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:maxdepth: 1
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Windows <building-openocd-windows>
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Linux <building-openocd-linux>
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MacOS <building-openocd-macos>
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本文档演示所使用的 OpenOCD 是 :ref:`jtag-debugging-setup-openocd` 章节中介绍的预编译好的二进制发行版。
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.. highlight:: bash
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如果要使用本地从源代码编译的 OpenOCD 程序,需要将相应可执行文件的路径修改为 ``src/openocd``,并设置 ``OPENOCD_SCRIPTS`` 环境变量,这样 OpenOCD 才能找到配置文件。Linux 和 macOS 用户可以执行::
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cd ~/esp/openocd-esp32
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export OPENOCD_SCRIPTS=$PWD/tcl
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Windows 用户可以执行::
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cd %USERPROFILE%\esp\openocd-esp32
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set "OPENOCD_SCRIPTS=%CD%\tcl"
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运行本地编译的 OpenOCD 的示例如下(Linux 和 macOS 用户)::
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src/openocd -f board/esp32-wrover-kit-3.3v.cfg
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Windows 用户::
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src\openocd -f board\esp32-wrover-kit-3.3v.cfg
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.. _jtag-debugging-tips-and-quirks:
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注意事项和补充内容
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本节列出了本指南中提到的所有注意事项和补充内容的链接。
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* :ref:`jtag-debugging-tip-breakpoints`
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* :ref:`jtag-debugging-tip-where-breakpoints`
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* :ref:`jtag-debugging-tip-flash-mappings`
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* :ref:`jtag-debugging-tip-why-next-works-as-step`
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* :ref:`jtag-debugging-tip-code-options`
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||
* :ref:`jtag-debugging-tip-freertos-support`
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||
* :ref:`jtag-debugging-tip-code-flash-voltage`
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||
* :ref:`jtag-debugging-tip-optimize-jtag-speed`
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||
* :ref:`jtag-debugging-tip-debugger-startup-commands`
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||
* :ref:`jtag-debugging-tip-openocd-configure-target`
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||
* :ref:`jtag-debugging-tip-reset-by-debugger`
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||
* :ref:`jtag-debugging-tip-jtag-pins-reconfigured`
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||
* :ref:`jtag-debugging-tip-reporting-issues`
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||
相关文档
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.. toctree::
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:maxdepth: 1
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||
using-debugger
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debugging-examples
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tips-and-quirks
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../app_trace
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