嵌入式系统8ARM程序的调试分析解析
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5
I 指令集模拟器的调试方法
利用主机（一般是PC）的资源构建一个虚拟的目标机系统，该系统通过解释执行目标处理器的二进制代码来仿真运行目标程序VM为指令集综合模拟器ARM Armulator－模拟运行ARM指令系统Palm OS 的模拟器－模拟运行68K指令系统
6
II 操作系统模拟器的调试方法
西安电子科技大学计算机学院
32
断点的类型
硬件断点在ARM中直接设定watchpoint中的地址，当ARM运行到指定的地址时，就进入Debug状态数目受EmbeddedICE中的Watchpoint数目（2个）的限制；但是，可以在任何地方设置断点软件断点改变存储器中的ARM指令为一个特殊的数据X（ARM的未定义指令），同时，设置watchpoint中的断点数据也为X，当ARM把X数据作为指令读入的时候，ARM就进入Debug状态数目不受限制，但是，软件断点是通过替换系统的断点地址的指令实现的，所以，软件断点只能在可写的存储器的地址中设置（比如：RAM），而不能在ROM（比如：Flash）中设置
10
2.3 在目标机上驻留监控软件
1、原理（大使兼间谍）被调试的应用程序放在RAM中；监控程序(Monitor)放在ROM(flash)中；监控程序负责按主机的要求控制应用程序的执行节奏；并随时将目标机上的各种状态报告给主机。需要时可将控制权全部交给应用程序。
11
Q：单步调试怎么实现？
2、基于调试代理(Angel)的调试方法
驻留Angel是一段驻留在开发板ROM中的一段程序,系统Boot后，Angle接管整个系统并初始化系统和通信接口。通信Angel通过一定的通信协议与主机的Debugger通信。下载和移交Debugger通过特定的命令通知Angel将用户调试的程序下载到目标板的SDRAM中的特定地址，并可以按照Debugger的要求将控制权交给相应的代码地址。断点和数据上传的实现对于用户设置的断点，Angel会在断点的位置插入一条软陷指令，当用户的程序执行到断点时,系统会产生一个软陷异常。中断后可以由Angel接管系统，并将系统当前的寄存器和某些内存值传给主机Debugger。
软件断点
Memory
0xffffffff
0xeeeeeeee
0x0
Opcode fetch
Control
AddrValue
DataValue
ControlValue
AddrMask
DataMask
ControlMask
A[31:0]
Breakpoint
D[31:0]
一个软件断点是当一个特定的指令从任何地址被预取时触发的一个断点．这个例子表明了观察点单元的配置 – 这对所有的软件断点都是一样的．为了设置一个断点，可以使用Multi-ICE在特定的地方写一个特别的指令．这些只能在RAM里在操作．每一个观察点单元可以用来设置无数的软件断点.
并口以太网口USB口
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24
3 JTAG
JTAG是Joint Test Action Group的缩写是IEEE1149.1标准JTAG的建立使得集成电路固定在PCB上，只通过边界扫描便可以被测试在ARM7TDMI处理器中，可以通过JTAG直接控制ARM的内部总线，I/O口等，从而达到调试的目的
17
2.5.2 CPU核、ICE和TAP之间的关系
18
2.5.3 ICE模块主要功能和原理
产生BREAKPT和DBGRQI信号送给CPU核当发生指令断点或数据断点则BREAKPT信号有效当有调试请求时，则DBGRQI信号有效这两个信号的产生是通过比较数据总线、地址总线、控制总线上的值和对应的断点寄存器的值产生的CPU进入仿真状态后DBGACK信号为高；进入仿真状态后，CPU时钟会切换为DCLK DCLK是由JTAG接口的TCK产生的时钟。
14
仿真器
采用在线调试方法的优缺点
优点可以设置ROM断点可以观测数据总线的变化从而实现观测点不占用目标板资源这种调试方法在单片机系统中得到广泛的采用缺点为了观测一个深嵌入的核心的信号，需要引出许多管脚。在线仿真器中的嵌入式微处理器并不是目标系统中的处理器，所以传统的在线仿真器无法真是仿真目标系统的嵌入式微处理器。在线仿真器拥有自己的目标处理器、RAM、ROM和自己的嵌入式软件，所以是非常昂贵的(尤其对于高速设备而言)。
定义：使用模拟器对复杂的系统进行建模，用软件来模拟硬件系统的功能。没有硬件的情况下在PC机上模拟系统运行相应程序用途：用于系统的前期算法分析和体系结构设计。用于应用程序的开发。缺点：难以真实反映SOC芯片的所有外设：中断无法处理。通过PC的外设模拟系统外设，有一定的限制。难以进行实时性的系统仿真。难以进行设备驱动开发。
19
2.5.4 片上在线调试器的优点
通过标准的JTAG接口来访问芯片上的ICE模块，不需要目标资源或者特殊硬件。这种芯片上在线仿真器的处理器是用户所使用的实际处理器，可以发现一些实际的问题。（不是仿真了，就是真的！！）芯片上在线仿真的成本比传统的在线仿真器要低许多。
20
2.5.5 ADS调试环境（IDE）
Breakpoint to be set here
Control
AddrValue
DataValue
ControlValue
AddrMask
DataMask
ControlMask
A[31:0]
Breakpoint
D[31:0]
当内核试图执行内存里一个特定地址的指令时，将会触发一个硬件断点．这个例子里，当要执行从地址0x8000索取的指令时，将会触发一个硬件断点．硬件断点可以在RAM或ROM里设置．每个观察点单元可以被用来设置一个硬件断点，而且只能一个．
9
Armulator指令集模拟器优缺点
优点是目前无硬件调试的最真实、最细致、最通用的方法。可模拟所有指令，甚至可模拟到指令的执行时序。对用户全开放，用户可按其规则自己创建模拟的对象。缺点模拟器难以真实反映所有的外设，对外部中断将更困难。难以实时仿真，仿真的时序和硬件时序有差异。不能很好进行外设的驱动开发。
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33
谢谢！
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嵌入式ICE逻辑
两个观察点单元可以通过监控地址总线，数据总线和控制信号来探测观察点（watchpoint）和断点。每个单元可以用来提供1 观察点, 或1个 ROM或RAM里的硬件断点，或RAM里的多个软件断点调试控制和状态寄存器调试通讯通道
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25
JTAG接口定义
20针接口定义
14针接口定义
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JTAG典型接口
TMS：测试模式选择（Test Mode Select），通过TMS信号控制JTAG状态机的状态TCK ：JTAG的时钟信号TDI：数据输入信号TDO ：数据输出信号nTRST：JTAG复位信号，复位JTAG的状态机和内部的宏单元（Macrocell）
一个观察点就是一个断点，这个断点在当以某种方式访问特定内存区域时被触发这个例子里，当向地址0xF000 写时，将触发这个观察点每一个观察点单元可以设置成一个观察点，而且只能设置一个
硬件断点
0x8000
ARM - 0x3
Thumb - 0x1
0xffffffff
Opcode fetch
0x8000
Memory
除了指令集模拟器还有操作系统模拟器ASIX OS模拟器Sybian OS 模拟器Android OS模拟器由于在OS层面上进行仿真，应用程序运行在PC的二进制代码（不是AARMulator(模拟器的改进－虚拟原型)
8
本质上还是指令级,节拍精度的模拟器,但是通过用户扩展的外围模型,极大增加了系统的真实性。
28
观察点
Control
AddrValue
DataValue
ControlValue
AddrMask
DataMask
ControlMask
A[31:0]
Watchpoint
D[31:0]
0xF000
0x0
0xffffffff
Data write
0xF000
Memory
Location to be watched
15
2.5 基于片上在线调试器的调试方法
1、Debugger将调试命令通过通信接口传给协议转换器。2、协议转换器将PC的通信协议转换成为JTAG的协议，并和片内的ICE逻辑进行通信，从而实现调试的功能。
16
2.5.1 基于JTAG的片上ICE
1、扫描链0可以用来访问ARM7TDMI的所有外围部件和嵌入式微处理器核心的所有输入输出管脚，包含下面几部分：数据总线；控制信号；地址总线；各寄存器值。2、扫描链1的扫描单元共33个，为扫描链0的一个子集，包括了数据总线的31位到0位，接下来是DBGBREAK信号。 3、扫描链2主要用于访问ICE 逻辑部件中的各寄存器。 4、EmbeddedICE逻辑电路包括一组寄存器和比较器，它可以用来产生调试时需要的异常中断，如产生断点等。 5、TAP控制器可以通过JTAG接口控制各个硬件扫描链。
3
2.1 PC 上的调试
程序编写、项目管理、编译、调试都在同一台计算机上完成（IDE， Integrated Design Environment 集成设计环境）MS VC＋＋MS VBBorland C++ Builder一般是通过在断点插入相关的调试软件指令来实现调试功能的
4
2.2 基于模拟器的调试方法
(The “special” value)
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31
命中一个断点
停止模式调试（由标准的 EmbeddedICE & EmbeddedICE-RT支持）内核进入调试状态和停止状态内核与系统的其余部分分离发出DBGACK信号 ( 调试器通过JTAG而检测到)没有中断处理，除非调试器重新启动执行代码处理器和系统的状态可以通过扫描内核的指令来察看和修改，紧接着执行它们监控模式调试（只由增强功能的 EmbeddedICE-RT支持）在ARM9E, ARM10 和稍后的ARM7TDMI版本上有内核通过一个异常中断而进入常驻软件监控程序可以连续处理中断处理器和系统的状态可以通过监控程序的调试命令来察看和修改
嵌入式系统
第八讲ARM程序的调试
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2
本节内容
调试的基本要求调试方法简介基于JTAG的片上ICE
1 调试的基本要求
使程序能够在用户控制下运行对感兴趣的数据进行访问和观察（WatchPoint）对感兴趣的指令设置断点（BreakPoint）单步执行检查与改变处理器的状态对各寄存器进行读写检查与改变系统的状态对系统存储器的访问下载代码（Download Code）保存存储器内容（Save As）
Armulator指令集模拟器功能
ARMulator是一个指令级的仿真程序，运行在主机上。 由于ARMulator可以报告各指令执行时的机器周期，它还可以用来进行应用程序的性能分析。 ARMulator被设计为允许容易地扩展软件模型，使之包括诸如Cache（高速缓冲存储器）、特殊存储器时序特性等系统特征。
12
Angel调试的优缺点
Angel调试的缺点：需要占用目标板的资源：处理器，存储器和通信接口没有办法在ROM区设置断点难以跟踪数据变化Angel调试的优点：不需额外的调试硬件，成本低廉
13
2.4 基于仿真器（在线调试）的调试方法
1、目标系统中的处理器被取掉，代之以与仿真器的连接2、仿真器上的处理器可以相同，也可以是一个有更多引脚的变型芯片（对内部状态有更高的可观察性）。3、仿真器上还有缓冲器，以及各种硬件资源，可以用来观察系统运行状态。4、跟踪缓冲器和硬件资源由运行在主机上的软件来管理。
21
ADS SemiHost(半主机)功能
ANSI C 中有很多设计到输入输出的标准C函数，这些函数如何在嵌入式系统中实现？比如最常用的 printf( )函数ARM给出了一个解决方案，即函数在目标机上运行，利用调试主机的屏幕（控制台）作为这些函数的输出。
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目标可以是最终的系统
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Host PC &Debugger
I 指令集模拟器的调试方法
利用主机（一般是PC）的资源构建一个虚拟的目标机系统，该系统通过解释执行目标处理器的二进制代码来仿真运行目标程序VM为指令集综合模拟器ARM Armulator－模拟运行ARM指令系统Palm OS 的模拟器－模拟运行68K指令系统
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II 操作系统模拟器的调试方法
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32
断点的类型
硬件断点在ARM中直接设定watchpoint中的地址，当ARM运行到指定的地址时，就进入Debug状态数目受EmbeddedICE中的Watchpoint数目（2个）的限制；但是，可以在任何地方设置断点软件断点改变存储器中的ARM指令为一个特殊的数据X（ARM的未定义指令），同时，设置watchpoint中的断点数据也为X，当ARM把X数据作为指令读入的时候，ARM就进入Debug状态数目不受限制，但是，软件断点是通过替换系统的断点地址的指令实现的，所以，软件断点只能在可写的存储器的地址中设置（比如：RAM），而不能在ROM（比如：Flash）中设置
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2.3 在目标机上驻留监控软件
1、原理（大使兼间谍）被调试的应用程序放在RAM中；监控程序(Monitor)放在ROM(flash)中；监控程序负责按主机的要求控制应用程序的执行节奏；并随时将目标机上的各种状态报告给主机。需要时可将控制权全部交给应用程序。
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Q：单步调试怎么实现？
2、基于调试代理(Angel)的调试方法
驻留Angel是一段驻留在开发板ROM中的一段程序,系统Boot后，Angle接管整个系统并初始化系统和通信接口。通信Angel通过一定的通信协议与主机的Debugger通信。下载和移交Debugger通过特定的命令通知Angel将用户调试的程序下载到目标板的SDRAM中的特定地址，并可以按照Debugger的要求将控制权交给相应的代码地址。断点和数据上传的实现对于用户设置的断点，Angel会在断点的位置插入一条软陷指令，当用户的程序执行到断点时,系统会产生一个软陷异常。中断后可以由Angel接管系统，并将系统当前的寄存器和某些内存值传给主机Debugger。
软件断点
Memory
0xffffffff
0xeeeeeeee
0x0
Opcode fetch
Control
AddrValue
DataValue
ControlValue
AddrMask
DataMask
ControlMask
A[31:0]
Breakpoint
D[31:0]
一个软件断点是当一个特定的指令从任何地址被预取时触发的一个断点．这个例子表明了观察点单元的配置 – 这对所有的软件断点都是一样的．为了设置一个断点，可以使用Multi-ICE在特定的地方写一个特别的指令．这些只能在RAM里在操作．每一个观察点单元可以用来设置无数的软件断点.
并口以太网口USB口
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3 JTAG
JTAG是Joint Test Action Group的缩写是IEEE1149.1标准JTAG的建立使得集成电路固定在PCB上，只通过边界扫描便可以被测试在ARM7TDMI处理器中，可以通过JTAG直接控制ARM的内部总线，I/O口等，从而达到调试的目的
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2.5.2 CPU核、ICE和TAP之间的关系
18
2.5.3 ICE模块主要功能和原理
产生BREAKPT和DBGRQI信号送给CPU核当发生指令断点或数据断点则BREAKPT信号有效当有调试请求时，则DBGRQI信号有效这两个信号的产生是通过比较数据总线、地址总线、控制总线上的值和对应的断点寄存器的值产生的CPU进入仿真状态后DBGACK信号为高；进入仿真状态后，CPU时钟会切换为DCLK DCLK是由JTAG接口的TCK产生的时钟。
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仿真器
采用在线调试方法的优缺点
优点可以设置ROM断点可以观测数据总线的变化从而实现观测点不占用目标板资源这种调试方法在单片机系统中得到广泛的采用缺点为了观测一个深嵌入的核心的信号，需要引出许多管脚。在线仿真器中的嵌入式微处理器并不是目标系统中的处理器，所以传统的在线仿真器无法真是仿真目标系统的嵌入式微处理器。在线仿真器拥有自己的目标处理器、RAM、ROM和自己的嵌入式软件，所以是非常昂贵的(尤其对于高速设备而言)。
定义：使用模拟器对复杂的系统进行建模，用软件来模拟硬件系统的功能。没有硬件的情况下在PC机上模拟系统运行相应程序用途：用于系统的前期算法分析和体系结构设计。用于应用程序的开发。缺点：难以真实反映SOC芯片的所有外设：中断无法处理。通过PC的外设模拟系统外设，有一定的限制。难以进行实时性的系统仿真。难以进行设备驱动开发。
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2.5.4 片上在线调试器的优点
通过标准的JTAG接口来访问芯片上的ICE模块，不需要目标资源或者特殊硬件。这种芯片上在线仿真器的处理器是用户所使用的实际处理器，可以发现一些实际的问题。（不是仿真了，就是真的！！）芯片上在线仿真的成本比传统的在线仿真器要低许多。
20
2.5.5 ADS调试环境（IDE）
Breakpoint to be set here
Control
AddrValue
DataValue
ControlValue
AddrMask
DataMask
ControlMask
A[31:0]
Breakpoint
D[31:0]
当内核试图执行内存里一个特定地址的指令时，将会触发一个硬件断点．这个例子里，当要执行从地址0x8000索取的指令时，将会触发一个硬件断点．硬件断点可以在RAM或ROM里设置．每个观察点单元可以被用来设置一个硬件断点，而且只能一个．
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Armulator指令集模拟器优缺点
优点是目前无硬件调试的最真实、最细致、最通用的方法。可模拟所有指令，甚至可模拟到指令的执行时序。对用户全开放，用户可按其规则自己创建模拟的对象。缺点模拟器难以真实反映所有的外设，对外部中断将更困难。难以实时仿真，仿真的时序和硬件时序有差异。不能很好进行外设的驱动开发。
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嵌入式ICE逻辑
两个观察点单元可以通过监控地址总线，数据总线和控制信号来探测观察点（watchpoint）和断点。每个单元可以用来提供1 观察点, 或1个 ROM或RAM里的硬件断点，或RAM里的多个软件断点调试控制和状态寄存器调试通讯通道
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JTAG接口定义
20针接口定义
14针接口定义
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JTAG典型接口
TMS：测试模式选择（Test Mode Select），通过TMS信号控制JTAG状态机的状态TCK ：JTAG的时钟信号TDI：数据输入信号TDO ：数据输出信号nTRST：JTAG复位信号，复位JTAG的状态机和内部的宏单元（Macrocell）
一个观察点就是一个断点，这个断点在当以某种方式访问特定内存区域时被触发这个例子里，当向地址0xF000 写时，将触发这个观察点每一个观察点单元可以设置成一个观察点，而且只能设置一个
硬件断点
0x8000
ARM - 0x3
Thumb - 0x1
0xffffffff
Opcode fetch
0x8000
Memory
除了指令集模拟器还有操作系统模拟器ASIX OS模拟器Sybian OS 模拟器Android OS模拟器由于在OS层面上进行仿真，应用程序运行在PC的二进制代码（不是AARMulator(模拟器的改进－虚拟原型)
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本质上还是指令级,节拍精度的模拟器,但是通过用户扩展的外围模型,极大增加了系统的真实性。
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观察点
Control
AddrValue
DataValue
ControlValue
AddrMask
DataMask
ControlMask
A[31:0]
Watchpoint
D[31:0]
0xF000
0x0
0xffffffff
Data write
0xF000
Memory
Location to be watched
15
2.5 基于片上在线调试器的调试方法
1、Debugger将调试命令通过通信接口传给协议转换器。2、协议转换器将PC的通信协议转换成为JTAG的协议，并和片内的ICE逻辑进行通信，从而实现调试的功能。
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2.5.1 基于JTAG的片上ICE
1、扫描链0可以用来访问ARM7TDMI的所有外围部件和嵌入式微处理器核心的所有输入输出管脚，包含下面几部分：数据总线；控制信号；地址总线；各寄存器值。2、扫描链1的扫描单元共33个，为扫描链0的一个子集，包括了数据总线的31位到0位，接下来是DBGBREAK信号。 3、扫描链2主要用于访问ICE 逻辑部件中的各寄存器。 4、EmbeddedICE逻辑电路包括一组寄存器和比较器，它可以用来产生调试时需要的异常中断，如产生断点等。 5、TAP控制器可以通过JTAG接口控制各个硬件扫描链。
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2.1 PC 上的调试
程序编写、项目管理、编译、调试都在同一台计算机上完成（IDE， Integrated Design Environment 集成设计环境）MS VC＋＋MS VBBorland C++ Builder一般是通过在断点插入相关的调试软件指令来实现调试功能的
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2.2 基于模拟器的调试方法
(The “special” value)
西安电子科技大学计算机学院
31
命中一个断点
停止模式调试（由标准的 EmbeddedICE & EmbeddedICE-RT支持）内核进入调试状态和停止状态内核与系统的其余部分分离发出DBGACK信号 ( 调试器通过JTAG而检测到)没有中断处理，除非调试器重新启动执行代码处理器和系统的状态可以通过扫描内核的指令来察看和修改，紧接着执行它们监控模式调试（只由增强功能的 EmbeddedICE-RT支持）在ARM9E, ARM10 和稍后的ARM7TDMI版本上有内核通过一个异常中断而进入常驻软件监控程序可以连续处理中断处理器和系统的状态可以通过监控程序的调试命令来察看和修改
嵌入式系统
第八讲ARM程序的调试
西安电子科技大学计算机学院
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本节内容
调试的基本要求调试方法简介基于JTAG的片上ICE
1 调试的基本要求
使程序能够在用户控制下运行对感兴趣的数据进行访问和观察（WatchPoint）对感兴趣的指令设置断点（BreakPoint）单步执行检查与改变处理器的状态对各寄存器进行读写检查与改变系统的状态对系统存储器的访问下载代码（Download Code）保存存储器内容（Save As）
Armulator指令集模拟器功能
ARMulator是一个指令级的仿真程序，运行在主机上。 由于ARMulator可以报告各指令执行时的机器周期，它还可以用来进行应用程序的性能分析。 ARMulator被设计为允许容易地扩展软件模型，使之包括诸如Cache（高速缓冲存储器）、特殊存储器时序特性等系统特征。
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Angel调试的优缺点
Angel调试的缺点：需要占用目标板的资源：处理器，存储器和通信接口没有办法在ROM区设置断点难以跟踪数据变化Angel调试的优点：不需额外的调试硬件，成本低廉
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2.4 基于仿真器（在线调试）的调试方法
1、目标系统中的处理器被取掉，代之以与仿真器的连接2、仿真器上的处理器可以相同，也可以是一个有更多引脚的变型芯片（对内部状态有更高的可观察性）。3、仿真器上还有缓冲器，以及各种硬件资源，可以用来观察系统运行状态。4、跟踪缓冲器和硬件资源由运行在主机上的软件来管理。
21
ADS SemiHost(半主机)功能
ANSI C 中有很多设计到输入输出的标准C函数，这些函数如何在嵌入式系统中实现？比如最常用的 printf( )函数ARM给出了一个解决方案，即函数在目标机上运行，利用调试主机的屏幕（控制台）作为这些函数的输出。
22
目标可以是最终的系统
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Host PC &Debugger