为什么需要 SWO + ITM？

传统调试常用 UART 打印，但存在明显痛点：

占用额外引脚和串口外设，增加硬件成本。
打印本身耗时，尤其在中断中调用会破坏实时性。
高波特率下仍可能丢数据，且 CPU 需轮询或频繁进中断。

Cortex-M 内核内置 ITM（Instrumentation Trace Macrocell） 和 SWO（Single Wire Output），通过调试器（如 ST-Link、J-Link）的 SWD 接口即可输出 trace 数据。它几乎不占用 CPU 时间（写寄存器即可），且支持硬件时间戳，非常适合实时系统。

原理速览

ITM：内核中的一个硬件模块，提供 32 个 stimulus 端口（0~31）。向 ITM_STIM 寄存器写入数据即可发送。
SWO：物理输出引脚（通常与 JTDI 复用），以异步方式串行输出 ITM 数据。
DWT：数据观察点与跟踪单元，可提供 CPU 周期计数器，用于时间戳。
TPIU：跟踪端口接口单元，负责将 ITM/DWT 数据打包并通过 SWO 输出。

关键寄存器：

ITM_STIM0~31：写数据到对应端口。
ITM_TER：使能对应端口。
ITM_TCR：使能 ITM 和同步。
TPIU_ACPR：设置 SWO 波特率分频。
TPIU_SPPR：选择 SWO 协议（NRZ 等）。
DEMCR：使能跟踪。

硬件与工具准备

任意 Cortex-M3/M4/M7 开发板（M0/M0+ 无 ITM，不适用）。
调试器：ST-Link V2/V3、J-Link、CMSIS-DAP 等，需支持 SWO。
软件：Keil MDK、IAR 或 STM32CubeIDE，配合相应调试插件。
一根 SWD 排线，确保 SWO 引脚连接（通常为 4 线 SWD + SWO）。

配置步骤

1. 初始化 ITM 与 SWO

以下代码以 STM32F4（Cortex-M4）为例，直接操作寄存器。

#include "stm32f4xx.h"

#define ITM_PORT0 0

void ITM_Init(uint32_t cpu_freq, uint32_t swo_freq) {
    // 使能跟踪与调试
    CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;

    // 解锁 ITM 寄存器
    ITM->LAR = 0xC5ACCE55;

    // 使能 ITM 和端口 0
    ITM->TER = (1 << ITM_PORT0);
    ITM->TCR = ITM_TCR_ITMENA_Msk | ITM_TCR_SYNCENA_Msk;

    // 设置 SWO 波特率（TPIU 异步时钟分频）
    // SWO_baud = cpu_freq / (ACPR + 1)
    TPI->ACPR = (cpu_freq / swo_freq) - 1;

    // 选择 NRZ 编码
    TPI->SPPR = 0x02;

    // 使能 TPIU
    TPI->FFCR = 0x100; // 使能格式化
}

2. 实现 printf 重定向

通过 ITM_SendChar 发送字符，并重定向 fputc。

int fputc(int ch, FILE *f) {
    if (ITM->TCR & ITM_TCR_ITMENA_Msk) {
        while (ITM->PORT[ITM_PORT0].u32 == 0);
        ITM->PORT[ITM_PORT0].u8 = (uint8_t)ch;
    }
    return ch;
}

若使用 ARM Compiler，需在工程中勾选“Use MicroLIB”或自行实现 _write。

3. 添加时间戳（可选）

使能 DWT 周期计数器，并在输出前发送时间戳。

void DWT_Init(void) {
    CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;
    DWT->CYCCNT = 0;
    DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;
}

void ITM_SendTimestamp(void) {
    uint32_t ts = DWT->CYCCNT;
    ITM->PORT[1].u32 = ts; // 端口 1 发送时间戳
}

在调试器中可配置解析端口 1 为时间戳。

4. 调试器端配置

Keil：Debug -> Settings -> Trace，勾选“Enable”，设置 Core Clock 与 SWO Clock，选择 ITM 端口 0 和 1。
STM32CubeIDE：Run -> Debug Configurations -> SWV，使能 ITM 并设置时钟。
J-Link：使用 J-Link SWO Viewer 或 Ozone。

完整示例：带时间戳的 trace 输出

#include <stdio.h>
#include "stm32f4xx.h"

void ITM_Init(uint32_t cpu_freq, uint32_t swo_freq);
void DWT_Init(void);

int main(void) {
    SystemInit();
    ITM_Init(168000000, 2000000); // CPU 168MHz, SWO 2MHz
    DWT_Init();

    printf("System started.\n");
    while (1) {
        ITM_SendTimestamp();
        printf("Tick: %lu\n", DWT->CYCCNT);
        for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++);
    }
}

注意事项与常见问题

仅 Cortex-M3/M4/M7 支持 ITM，M0/M0+ 无此功能。
SWO 引脚需在硬件上连接，且调试器支持。
波特率不宜过高，通常 1~4 Mbps 足够，过高易受干扰。
在低功耗模式下 ITM 可能停止工作，需退出低功耗后再使用。
多任务环境中，ITM 写入是原子的，但 printf 本身可能非线程安全，建议加锁。
若使用 RTOS，可在空闲任务中刷新，避免阻塞。
时间戳端口需在调试软件中单独配置解析。
确保 ITM->TCR 的 ITMENA 置位，否则数据不会输出。

总结

SWO + ITM 是 Cortex-M 上替代串口打印的优雅方案，开销极低，不占用外设，且支持时间戳。只需简单寄存器配置和 printf 重定向，即可获得实时 trace 能力。对于追求高性能调试的嵌入式开发者，这是必备技能。

用 SWO + ITM 替代串口打印：在 Cortex-M 上做低开销实时 trace 的完整搭建