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Debug system registers

在ARMv7架构中，调试功能通过一系列的系统控制块（System Control Block, SCB）寄存器来提供。这些寄存器不仅帮助开发者诊断程序运行中的错误，还提供了硬件故障的详细信息。以下是SCB中与调试相关的重要寄存器和标志位的介绍：

中断控制状态寄存器（ICSR）

ICSR 寄存器可在应用程序中用于：

• 设置和清除系统异常的挂起状态，其中包括 SysTick、PendSV 和 NMI。
• 通过读取 VECTACTIVE 可以确定当前执行的异常/中断编号。

另外，调试器还可利用该寄存器确定中断状态。VECTACTIVE 域和 IPSR 相同。

• 中断控制和状态寄存器（SCB->ICSR，0xE000ED04）

debug 寄存器小结：

Debug Halting Control and Status Register, DHCSR

• C_DEBUGEN: Enables debug.
  启用调试。这只能由 AHB-AP 修改，而不是由软件修改。它在软件进行写入时将被忽略，软件不能设置或清除它。当写入 C_HALT 来暂停CPU时，内核必须向它写入 1。当外部debugger将该bit配置从0修改为1时 必须同时将 域 C_MASKINTS（bit[3]）置0。

• C_Halt: Halts the core.
  暂停 cpu。当CPU停止时，该位自动设置。例如断点。此位在CPU reset 时清除。该位只能在 C_DEBUGEN 为 1 时写入，否则将被忽略。

  • 当设置该位为 1 时，且 C_DEBUGEN 置位时，将会将cpu halt住；
  • 当CPU 处于 debug state时，将该bit写0，将会退出 debug state。

• C_STEP, bit[2]：单步调试使能bit。

• C_MASKINTS, bit[3]：当debug 模式使能后，也即C_DEBUGEN 配置为1后，外部 debugger 可以通过配置该bit来屏蔽ysTick 和 外部其它中断。

• C_SNAPSTALL, bit[5]：设置此位为1允许调试器请求不精确地进入调试状态。C_SNAPSTALL 提供了一种机制，通过它调试器可以请求处理器进入调试状态，而不需要等待具体的断点触发。这对于那些需要在特定条件下暂停处理器执行，但又不依赖于精确断点位置的调试场景特别有用。

当处理器执行加载（load）或存储（store）指令时，可能会遇到“阻塞”（stalled）的情况。这种情况通常发生于数据无法立即从内存中被访问时，例如因为缓存未命中（cache miss）、访问外设或者内存争用等原因。阻塞的加载或存储指令需要等待相关数据可用后才能完成其操作。下面详细介绍这一过程及其影响。可以通过配置C_SNAPSTALL 让 阻塞的 load 或者store强制结束。

• S_REGRDY:
  调试内核寄存器选择器寄存器上的寄存器读/写可用。 为1表示最后一次传输完成。

• S_HALT
  当 S_HALT 为高时，表示处于调试状态

• S_SLEEP
  表示内核正在休眠.WFI、WFE 或 SLEEP-ON-EXIT, 必须使用 C_HALT 来获得控制权或等待中断唤醒。

• S_LOCKUP:
  如果内核正在运行（未停止）并且存在锁定条件，则读取为 1。

• S_RETIRE_ST: I表示自上次读取后指令已完成。 这是一个在读取时清除的粘性位。 这确定核心是否在加载/存储或获取时停止。

• S_RESET_ST
  表示自从上次读取该位以来，内核已被复位或正在被复位。 这是一个在读取时清除的粘性位。 因此，读取两次并得到 1 然后 0 意味着它在过去被重置。 读取两次并获得 1 意味着它现在正在重置（仍然保持在重置状态）。

Debug 寄存器DCRSR与DCRDR

与调试功能有关的，还有NVIC中另外两个寄存器。它们分别是：调试内核寄存器选择者寄存器（DCRSR），以及调试内核寄存器数据寄存器（DCRDR）。调试器需要通过这两个寄存器来访问处理器的寄存器，并且只有在处理器停机时，才能使用这里的寄存器传送功能。

DCRSR：

DCRDR：

CPU 寄存器读操作

使用DCRSR和DCRDR这两个寄存器来读取内核的寄存器的内容，则必须按如下的顺序做：

• 确定处理器已停机
• 往DCRSR写数据来选择读CPU的哪个寄存器，其中bit[16]要为0，表示这是要读数据
• 查询，直到DHCSR.S_REGRDY=1
• 读取DCRDR以获取寄存器的内容

CPU 寄存器写操作

寄存器写操作的顺序与上面的类似：

• 确定处理器已停机
• 往DCRDR中写数据
• 往DCRSR写数据来选择准备写CPU的哪个寄存器，其中bit[16]要为1，表示这是要写数据
• 查询，直到DHCSR.S_REGRDY=1

NOTE: 使用DCRSR和DCRDR来访问寄存器，只适用于停机模式。

CPU 寄存器选择

DCRSR bit[16] 用标志是读操作还是写操作：

• 0 Read
• 1 Write

DCRSR bits[6:0] 用于选择要操作哪个寄存器：

• 0b0000000-0b0001100：选择寄存器R0-R12
• 0b0001101：选择寄存器 SP
• 0b0001110：选择寄存器 LR
• 0b0001111：DebugReturnAddress
• 0b0010000：xPSR
• 0b0010001：Main stack pointer, MSP
• 0b0010010 Process stack pointer, PSP.
• 0b0010100 Bits[31:24] CONTROL.
  • Bits[23:16] FAULTMASK.
  • Bits[15:8] BASEPRI.
  • Bits[7:0] PRIMASK.
• 0b0100001：Floating-point Status and Control Register, FPSCR.

CPU 寄存器读写示例

写操作：

#define REGW_FLAG    BIT(16)
#define S_REGRDY     BIT(16)

int cpu_reg_write(uint32_t reg, uint32_t val)
{
        uint32_t data, try = 5;

        mcu_write(DCRDR, val);
        mcu_write(DCRSR, REGW_FLGA | reg);
        mcu_read(DHCSR, &data);
        while ((data & S_REGRDY) == 0x0 && try) {
                log_warn("wait for transfer complete\n");
                try--;
        }

        if (!try) {
                log_err("write gpu mcu reg failed\n");
                return -1;
        }

        return 0;
}

读操作：

uint32_t cpu_reg_read(uint32_t reg, uint32_t *pdata)
{
        uint32_t data, try = 5;

        mcu_write(DCRSR, reg);
        mcu_read(DHCSR, &data);
        while ((data & S_REGRDY) == 0x0 && try) {
                log_warn("wait for transfer complete\n");
                try--;
        }

        if (!try) {
                log_err("write gpu mcu reg failed\n");
                return -1;
        }

        mcu_read(DCRDR, pdata);

        return 0;
}

调试故障状态寄存器（DFSR）

DFSR（Debug Fault Status Register）是SCB的一部分，提供了与调试相关的故障信息。它指示了最后一次调试事件的原因，例如硬件断点触发或访问违例。DFSR寄存器包括以下几个关键字段：

• HALTED：当处理器因调试请求而停止时，该位被设置。 C_HALT 和 C_STEP 请求都会触发该位置位。
• BKPT：当执行到PFB中硬件断点时或者软件断点指令BKPT指令时，该位被设置。
• DWTTRAP：当数据观察点和追踪（Data Watchpoint and Trace, DWT）单元检测到匹配事件时，该位被设置。
• VCATCH：当向量捕捉事件发生时，该位被设置。
• EXTERNAL：当由于外部调试请求而停止时，该位被设置。

DFSR为开发者提供了关于程序为何停止的直接线索，是调试过程中不可或缺的资源。