1）实验平台：正点原子stm32f103战舰开发板V4
2）平台购买地址：https://detail.tmall.com/item.htm?id=609294757420
3）全套实验源码+手册+视频下载地址： http://www.openedv.com/thread-340252-1-1.html

第二十六章 USMART调试组件实验

本章，我们将向大家介绍一个十分重要的辅助调试工具：USMART调试组件。该组件由正点原子开发提供，功能类似linux的shell（RTT的finsh也属于此类）。USMART最主要的功能就是通过串口调用单片机里面的函数，并执行，对我们调试代码是很有帮助的。
本章分为如下几个小节：
26.1 USMART调试组件简介
26.2 硬件设计
26.3 程序设计
26.4 下载验证

26.1 USMART调试组件简介

USMART是由正点原子开发的一个灵巧的串口调试互交组件，通过它你可以通过串口助手调用程序里面的任何函数，并执行。因此，你可以随意更改函数的输入参数（支持数字（10/16进制，支持负数)、字符串、函数入口地址等作为参数），单个函数最多支持10个输入参数，并支持函数返回值显示，目前最新版本为V3.5。
USMART的特点如下：
1，可以调用绝大部分用户直接编写的函数。
2，资源占用极少（最少情况：FLASH:4K；SRAM:72B）。
3，支持参数类型多（数字（包含10/16进制，支持负数）、字符串、函数指针等）。
4，支持函数返回值显示。
5，支持参数及返回值格式设置。
6，支持函数执行时间计算（V3.1及以后的版本新特性）。
7，使用方便。
有了USMART，你可以轻易的修改函数参数、查看函数运行结果，从而快速解决问题。比如你调试一个摄像头模块，需要修改其中的几个参数来得到最佳的效果，普通的做法：写函数修改参数下载看结果不满意修改参数下载看结果不满意….不停的循环，直到满意为止。这样做很麻烦不说，单片机也是有寿命的啊，老这样不停的刷，很折寿的。而利用USMART，则只需要在串口调试助手里面输入函数及参数，然后直接串口发送给单片机，就执行了一次参数调整，不满意的话，你在串口调试助手修改参数在发送就可以了，直到你满意为止。这样，修改参数十分方便，不需要编译、不需要下载、不会让单片机折寿。
USMART支持的参数类型基本满足任何调试了，支持的类型有：10或者16进制数字、字符串指针（如果该参数是用作参数返回的话，可能会有问题！）、函数指针等。因此绝大部分函数，可以直接被USMART调用，对于不能直接调用的，你只需要重写一个函数，把影响调用的参数去掉即可，这个重写后的函数，即可以被USMART调用了。
USMART的实现流程简单概括就是：第一步，添加需要调用的函数（在usmart_config.c里面的usmart_nametab数组里面添加）；第二步，初始化串口；第三步，初始化USMART（通过usmart_init函数实现）；第四步，轮询usmart_scan函数，处理串口数据。
接下来我们看下USMART的组成，USMART组件总共包含8个文件，如图26.1.1.所示：
在这里插入图片描述

图26.1.1 USMART组件代码
USMART每个文件的作用如表26.1.1所示：
在这里插入图片描述

表26.1.1 USMART文件介绍
经过以上简单介绍，我们对USMART有了个大概了解，接下来我们将在下一小节给大家介绍USMART组件的移植和使用。
26.2 硬件设计

例程功能
本实验通过usmart调用单片机里面的函数，实现对LCD显示和LED以及延时的控制。LED0闪烁用于提示程序正在运行。
硬件资源
1）LED灯
LED0 – PB5
LED1 – PE5
1）串口1(PA9/PA10连接在板载USB转串口芯片CH340上面)
2）定时器4
3）正点原子2.8/3.5/4.3/7/10寸TFTLCD模块(仅限MCU屏，16位8080并口驱动)
26.3 程序设计
26.3.1 程序流程图

图26.3.1.1 USMART调试组件实验程序流程图
26.3.2 程序解析

USMART驱动代码
要使用USMART，我们先得进行代码移植，USMART的移植非常简单，我们只需要修改usmart_port.c里面的5个函数即可完成移植。
第一个函数，USMART输入数据流获取函数，该函数的实现代码如下：

/*** @brief     	获取输入数据流(字符串)*   @note    	USMART通过解析该函数返回的字符串以获取函数名及参数等信息* @param      	无* @retval*   @arg      	0,  没有接收到数据*   @arg     	其他,数据流首地址(不能是0)*/
char *usmart_get_input_string(void)
{uint8_t len;char *pbuf = 0;if (g_usart_rx_sta & 0x8000)        	/* 串口接收完成？ */{len = g_usart_rx_sta & 0x3fff;  	/* 得到此次接收到的数据长度 */g_usart_rx_buf[len] = '\0';     	/* 在末尾加入结束符. */pbuf = (char*)g_usart_rx_buf;g_usart_rx_sta = 0;             	/* 开启下一次接收 */}return pbuf;
}

该函数通过SYSTEM文件夹默认的串口接收来实现输入数据流获取。SYSTEM文件夹里面的串口接收函数，最大可以一次接收200字节，用于从串口接收函数名和参数等。大家如果在其他平台移植，请参考SYSTEM文件夹串口接收的实现方式进行移植（详细接收原理请参考：串口通信实验）。

第二个是usmart_timx_init函数，该函数的实现代码如下：

/*** @brief       定时器初始化函数* @param       arr:自动重装载值*              psc:定时器分频系数* @retval      无*/ 
void usmart_timx_init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{ USMART_TIMX_CLK_ENABLE();g_timx_usmart_handle.Instance = USMART_TIMX;		/* 通用定时器4 */g_timx_usmart_handle.Init.Prescaler = psc;        	/* 分频系数 */g_timx_usmart_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;  /* 向上计数器 */g_timx_usmart_handle.Init.Period = arr;           	/* 自动装载值 */g_timx_usmart_handle.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;HAL_TIM_Base_Init(&g_timx_usmart_handle);HAL_TIM_Base_Start_IT(&g_timx_usmart_handle);     	/* 使能定时器和定时器中断 */HAL_NVIC_SetPriority(USMART_TIMX_IRQn, 3, 3);    	/* 抢占优先级3，子优先级3 */HAL_NVIC_EnableIRQ(USMART_TIMX_IRQn);             	/* 开启TIM中断 */ 
}

该函数只有在：USMART_ENTIMX_SCAN值为1时，才需要实现，用于定时器初始化，利用定时器完成对usmart_scan函数的周期性调用，并实现函数运行时间计时（runtime）功能。该函数里面的：USMART_TIMX_CLK_ENABLE、USMART_TIMX和USMART_TIMX_IRQn等定时器相关宏定义我们在usmart_prot.h里面定义，方便大家修改。本实验我们用的TIM4。
注意：usmart_timx_init函数是在usmart.c里面，被usmart_init调用，usmart_init源码如下：

/*** @brief     	初始化USMART* @param     	tclk: 定时器的工作频率(单位:Mhz)* @retval     	无*/
void usmart_init(uint16_t tclk)
{
#if USMART_ENTIMX_SCAN == 1usmart_timx_init(1000, tclk * 100 - 1);
#endifusmart_dev.sptype = 1;  	/* 十六进制显示参数 */
}

该函数有一个参数tclk，就是用于定时器初始化。注意：这里的tclk是指所选TIM的时钟频率，而非系统主频！这里我们用的TIM4，对于STM32F103来说，TIM4的时钟源来自2倍的APB1，频率为：72Mhz。
另外，USMART_ENTIMX_SCAN是在usmart_port.h里面定义的一个是否使能定时器中断扫描的宏定义。如果为1，就初始化定时器中断，并在中断里面调用usmart_scan函数。如果为0，那么需要用户需要自行间隔一定时间（100ms左右为宜）调用一次usmart_scan函数，以实现串口数据处理。注意：如果要使用函数执行时间统计功能（runtime 1），则必须设置USMART_ENTIMX_SCAN为1。另外，为了让统计时间精确到0.1ms，定时器的计数时钟频率必须设置为10Khz，否则时间就不是0.1ms了。
第三和第四个函数仅用于服务USMART的函数执行时间统计功能（串口指令：runtime 1），分别是：usmart_timx_reset_time和usmart_timx_get_time，这两个函数代码如下：

/*** @brief     	复位runtime*   @note    	需要根据所移植到的MCU的定时器参数进行修改* @param      	无* @retval    	无*/
void usmart_timx_reset_time(void)
{__HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&g_timx_usmart_handle, TIM_FLAG_UPDATE);/* 清中断标志 */__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&g_timx_usmart_handle, 0XFFFF);	/* 重载值设置最大 */__HAL_TIM_SET_COUNTER(&g_timx_usmart_handle, 0);        		/* 清定时器CNT */usmart_dev.runtime = 0;
}/*** @brief     	获得runtime时间*   @note      	需要根据所移植到的MCU的定时器参数进行修改* @param       	无* @retval      	执行时间,单位:0.1ms,最大延时时间为定时器CNT值的2倍*0.1ms*/
uint32_t usmart_timx_get_time(void)
{/* 在运行期间,产生了定时器溢出 */if (__HAL_TIM_GET_FLAG(&g_timx_usmart_handle, TIM_FLAG_UPDATE) == SET)  {usmart_dev.runtime += 0XFFFF;}usmart_dev.runtime += __HAL_TIM_GET_COUNTER(&g_timx_usmart_handle);return usmart_dev.runtime;		/* 返回计数值 */
}

usmart_timx_reset_time函数在每次USMART调用函数之前执行，清除定时器的计数器，然后在函数执行完之后，调用usmart_timx_get_time获取计数器值，从而得到整个函数的运行时间。由于usmart调用的函数，都是在中断里面执行的，所以我们不太方便再用定时器的中断功能来实现定时器溢出统计，因此，USMART的函数执行时间统计功能，最多可以统计定时器溢出1次的时间，对STM32F103的TIM4来说，该定时器是16位的，最大计数是65535，而由于我们定时器设置的是0.1ms一个计时周期（10Khz），所以最长计时时间是：
65535 * 2 * 0.1ms = 13.1秒
也就是说，如果函数执行时间超过13.1秒，那么计时将不准确。
最后一个是USMART_TIMX_IRQHandler函数，该函数的实现代码如下：

/*** @brief     	USMART定时器中断服务函数* @param      	无* @retval    	无*/
void USMART_TIMX_IRQHandler(void)
{
/* 溢出中断 */if(__HAL_TIM_GET_IT_SOURCE(&g_timx_usmart_handle,TIM_IT_UPDATE)==SET){usmart_dev.scan();                                   			/* usmart扫描 */__HAL_TIM_SET_COUNTER(&g_timx_usmart_handle, 0);;    	/* 清定时器CNT */__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&g_timx_usmart_handle, 100);	/* 恢复原来的设置 */}__HAL_TIM_CLEAR_IT(&g_timx_usmart_handle, TIM_IT_UPDATE);	/* 清除中断标志位 */
}

该函数是定时器TIMX的中断服务函数，也是一个宏定义函数，同样是在usmart_port.h里面定义，方便大家修改。该函数主要用于周期性调用usmart扫描函数（实际函数：usmart_scan），完成对输入数据流的处理。同时，清除定时器的CNT值，并设置自动重装载值。
完成这几个函数的移植，就可以使用USMART了。不过，需要注意的是，usmart同外部的互交，一般是通过usmart_dev结构体实现，所以usmart_init和usmart_scan的调用分别是通过：usmart_dev.init和usmart_dev.scan实现的。
外我们还需要在usmart_config.c文件里面添加想要被USMART调用的函数。打开usmart_config.c文件，如图26.3.2.1所示：
在这里插入图片描述

图26.3.2.1 添加需要被USMART调用的函数
这里的添加函数很简单，只要把函数所在头文件添加进来，并把函数名按上图所示的方式增加即可，默认我们添加了两个函数：delay_ms和delay_us。另外，read_addr和write_addr属于usmart自带的函数，用于读写指定地址的数据，通过配置USMART_USE_WRFUNS宏定义，可以使能或者禁止这两个函数。
这里我们根据自己的需要按上图的格式添加其他函数，usmart_config.c文件中我们已经添加了LCD的相关函数，大家可以查看本实验的usmart_config.c文件，并可在串口助手中调用。具体的调用方法26.4小节有具体讲解。
2. main.c代码
在main函数之前，我们添加了led_set和test_fun两个函数，代码如下：

/* LED状态设置函数 */
void led_set(uint8_t sta)
{LED1(sta);
}/* 函数参数调用测试函数 */
void test_fun(void(*ledset)(uint8_t), uint8_t sta)
{ledset(sta);
}
led_set函数，用于设置LED1的状态，而第二个函数test_fun则是测试USMART对函数参数的支持的，test_fun的第一个参数是函数，在USMART里面也是可以被调用的。
main函数代码如下： 
int main(void)
{HAL_Init();                            		/* 初始化HAL库 */sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);		/* 设置时钟, 72Mhz */delay_init(72);                        		/* 延时初始化 */usart_init(115200);                    	/* 串口初始化为115200 */usmart_dev.init(72);                  		/* 初始化USMART */led_init();                              	/* 初始化LED */
lcd_init();                              	/* 初始化LCD */lcd_show_string(30,50,200,16,16,"STM32", RED);lcd_show_string(30,70,200,16,16,"USMART TEST", RED);
lcd_show_string(30,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK", RED);while(1) {LED0_TOGGLE();  /* LED0(RED) 闪烁 */delay_ms(500);}
}

此部分代码功能如下：经过一系列初始化，显示使用信息后，就是在无限循环中LED0翻转延时，并等待串口数据。
26.4 下载验证
将程序下载到开发板后，可以看到LED0不停的闪烁，提示程序已经在运行了。同时，屏幕上显示了一些字符（就是主函数里面要显示的字符）。
我们打开串口调试助手XCOM，选择正确的串口号多条发送勾选发送新行（即发送回车键）选项，然后发送list指令，即可打印所有usmart可调用函数。如下图所示：
在这里插入图片描述

图26.4.1 驱动串口调试助手
上图中list、id、help、hex、dec、？和runtime都属于usmart自带的系统命令，点击后方的数字按钮，即可发送对应的指令。下面我们简单介绍下这几个命令：
list，该命令用于打印所有usmart可调用函数。发送该命令后，串口将受到所有能被usmart调用得到函数，如图26.4.1所示。
id，该指令用于获取各个函数的入口地址。比如前面写的test_fun函数，就有一个函数参数，我们需要先通过id指令，获取led_set函数的id（即入口地址），然后将这个id作为函数参数，传递给test_fun。
help（或者‘?’也可以），发送该指令后，串口将打印usmart使用的帮助信息。
hex和dec，这两个指令可以带参数，也可以不带参数。当不带参数的时候，hex和dec分别用于设置串口显示数据格式为16进制/10进制。当带参数的时候，hex和dec就执行进制转换，比如输入：hex 1234，串口将打印：HEX:0X4D2，也就是将1234转换为16进制打印出来。又比如输入：dec 0X1234，串口将打印：DEC:4660，就是将0X1234转换为10进制打印出来。
runtime指令，用于函数执行时间统计功能的开启和关闭，发送：runtime 1，可以开启函数执行时间统计功能；发送：runtime 0，可以关闭函数执行时间统计功能。函数执行时间统计功能，默认是关闭的。
大家可以亲自体验下这几个系统指令，不过要注意，所有的指令都是大小写敏感的，不要写错哦。
接下来，我们将介绍如何调用list所打印的这些函数，先来看一个简单的delay_ms的调用，我们分别输入delay_ms(1000)和delay_ms(0x3E8)，如图26.4.2所示：
在这里插入图片描述

图26.4.2 串口调用delay_ms函数
从上图可以看出，delay_ms(1000)和delay_ms(0x3E8)的调用结果是一样的，都是延时1000ms，因为usmart默认设置的是hex显示，所以看到串口打印的参数都是16进制格式的，大家可以通过发送dec指令切换为十进制显示。另外，由于USMART对调用函数的参数大小写不敏感，所以参数写成：0X3E8或者0x3e8都是正确的。另外，发送：runtime 1，开启运行时间统计功能，从测试结果看，USMART的函数运行时间统计功能，是相当准确的。
我们再看另外一个函数，lcd_show_string函数，该函数用于显示字符串，我们通过串口输入：lcd_show_string(30,200,200,16,16," This is a test for usmart!!", 0xF800)，如图26.4.3所示：
在这里插入图片描述

图26.4.3 串口调用lcd_show_string函数
该函数用于在指定区域，显示指定字符串，发送给开发板后，我们可以看到LCD在我们指定的地方显示了：This is a test for usmart!! 这个字符串。
其他函数的调用，也都是一样的方法，这里我们就不多介绍了，最后说一下带有函数参数的函数的调用。我们将led_set函数作为 test_fun的参数，通过在test_fun里面调用led_set函数，实现对LED1的控制。前面说过，我们要调用带有函数参数的函数，就必须先得到函数参数的入口地址（id），通过输入id指令，我们可以得到led_set的函数入口地址是：0X0800321D，所以，我们在串口输入：test_fun(0X0800321D,0)，就可以控制LED1亮了。如图26.4.4所示：
在这里插入图片描述

图26.4.4 串口调用test_fun函数
在开发板上，我们可以看到，收到串口发送的test_fun(0X0800321D,0)后，开发板的LED1亮了，然后大家可以通过发送test_fun(0X0800321D,1)，来关闭LED1。说明我们成功的通过test_fun函数调用led_set，实现了对LED1的控制。也就验证了USMART对函数参数的支持。
USMART调试组件的使用，就为大家介绍到这里。USMART是一个非常不错的调试组件，希望大家能学会使用，可以达到事半功倍的效果。