移植Black Magic Probe固件 虽然BMP官方已经支持了许多的芯片，但是我决定做一些不一样的尝试，我最开始将Black Magic Probe的代码移植到了STM32H750芯片平台上，希望它较高的主频可以实现更快的调试速度。但实际测试下来发现或许是因为相同的USB2.0FS，性能并不比STM32F411平台有特别明显的优势。后来又将其移植到CH32V307平台上，该芯片拥有USB2.0HS接口，传输速度将不是它的性能瓶颈，但是该芯片的主频与F411类似，综合权衡后，我决定采用CH32V307芯片重新设计一版Black Magic Probe。但是正当我把硬件原理图设计完成后，我突然想到一个更合适的选择，那就是RP2040芯片。
为什么选择RP2040芯片 选择它的主要原因是它的PIO模块可以实现较高效率的SWD时序，可以不必依赖与处理器去模拟SWD时序。对于SWD信号的准确性和稳定性都是非常关键的，所以选择RP2040就比较合适。我本来已经完成了SWD时序的PIO代码以及和Black Magic Probe的适配工作，但是我发现树莓派官方推出了基于rp2040芯片的CMSIS-DAP调试器，其中使用PIO完成的SWD时序也比较符合我的预期。所以我决定将Black Magic Probe固件代码移植到rp2040芯片上，并保留CMSIS-DAP调试器的支持,使得一个硬件拥有两种调试能力。
设计硬件 最开始打算使用树莓派官方的Debug Probe硬件，但是60多元的售价将我劝退。而且为了满足Black Magic Probe的一些特殊功能，Debug Probe硬件并不是最理想的硬件。所以我决定自行设计一个硬件。主要是增加3.3V电源输出管理和电源监测功能，需要添加ADC电路和功率开关电路。
主要的外围接口和我上一个制作的Black Magic Probe保持相同的接口布局。原理图 可参考树莓派的Debug Probe。
硬件上添加了一个拨动开关，可以用于控制3.3V的电源的输出，3.3V的电源输出也可以由BMP软件控制打开。
让我感到非常意外的是RP2040的ADC性能不太理想，采样时间固定到了2us，没有调整的空间。手册上说ADC的输入阻抗可达100kΩ，但实际我使用100kΩ加47kΩ的分压电路都导致ADC测量结果严重偏低(偏低0.15v)，最终我将分压电阻的值缩小了10倍后ADC的测量结果才有所好转。如果采样时间可以修改或许可以提高采样精度。
除PCB成本外，元器件的成本约20元。
代码 完整的代码已经放到github 。
代码采用rp2040芯片最新的2.0版SDK，构建工具依赖的picotools已经生成了一个Windows的本地版本。如果你在Windows下进行rp2040芯片软件开发，这个二进制版本的picotools将对你有一定帮助。构建这个Win版本的picotools有许多曲折的经历，不过最后还是弄好了，不然的话只能转向Linux开发了。
代码在树莓派debugprobe固件的基础上移植了比较完整的Black Magic Probe固件(除了BMP-bootloader)。JTAG调试接口由于原版树莓派没有支持，所以BMP上的JTAG adapter还未完成。
该版本的BMP相比于其它版本有一些优点，准确且高效的SWD时序模拟，时钟频率理论可达30MHz，时序由PIO驱动，时钟精度比较高。相比于采用处理器模拟SWD时序，它的时钟稳定性更佳。使用逻辑分析仪测量波形：
从图中可以看到CLK时序还算比较规整。由于在底层设计中PIO需要和处理器做同步交互，使得在SWD时序中CMD-ACK-DATA之间存在不可避免的时序空闲时间。
下面看看STM32F411使用指令模拟SWD时序的波形：
可以看出CLK的占空比不稳定，这种现象称为时钟抖动(Jitter)，它主要影响信号的采样过程，过大的抖动可能导致传输误码。
该版本代码还有一些其它优化，重构了cdc-uart的代码，串口改为DMA驱动，配合应用层的FIFO，实现了串口驱动到USB协议栈之间数据的零拷贝。
此外，为了实现debugprobe代码和BMP的代码同时运行，debugprobe代码在保证功能性的前提下做了一些细节部分的调整，具体内容可以参考代码提交记录。
我还启用了FreeRTOS的多核特性，以充分利用rp2040的2个核心。这部分代码还未提交，我还需要进一步测试。
PIO驱动SWD原理 先给出Raspberrypi的PIO代码，如果对PIO还不够深入了解可以看看我之前的文章。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 .program probe .side_set 1 opt public write_cmd: public turnaround_cmd: ; Alias of write, used for probe_oen.pio pull write_bitloop: out pins, 1 [1] side 0x0 ; Data is output by host on negedge jmp x-- write_bitloop [1] side 0x1 ; ...and captured by target on posedge ; Fall through to next command .wrap_target public get_next_cmd: pull side 0x0 ; SWCLK is initially low out x, 8 ; Get bit count out pindirs, 1 ; Set SWDIO direction out pc, 5 ; Go to command routine read_bitloop: nop ; Additional delay on taken loop branch public read_cmd: in pins, 1 [1] side 0x1 ; Data is captured by host on posedge jmp x-- read_bitloop side 0x0 push .wrap ; Wrap to next command
代码非常简短，共11条指令。代码的入口在get_next_cmd，从输入fifo中得到需要执行的指令，执行分为4种(读、写、next、turnaround)，读和写就是构建基本的数据传输波形，next相当于一条nop指令，但是可以用于直接切换DIO的方向，turnaround将产生一个额外的时钟周期并切换DIO方向。
处理器将指令偏移压入fifo中，pio将fifo中的数据放入到pc寄存器实现指令的跳转。
PIO练习 在使用debugprobe的代码之前，我自己练习写了一份SWD的时序代码，该代码的优点是在数据传输过程中自动进行DIO的方向切换不需要单独占用一个fifo空间。该代码需要较多的指令空间，由于篇幅有限且代码质量一般，这里仅列出in时序相关内容。
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 uint32_t swdptap_seq_in (size_t clock_cycles) { if (clock_cycles == 0 ){ return 0 ; } int ret; ret = cros_sem_pend(swdptap_lock, 1000u ); if (ret){ return 0 ; } uint32_t has_trn = 0 ; if (dio_dir != SWDIO_STATUS_FLOAT){ dio_dir = SWDIO_STATUS_FLOAT; has_trn = 1 ; } if (seq_out_count > 0 ){ pio_sm_get_blocking(SWD_PIO, SWD_OUT_SM); seq_out_count--; } pio_sm_put_blocking(SWD_PIO, SWD_IN_SM, has_trn | ((clock_cycles - 1 ) << 1 )); ret = pio_sm_get_blocking(SWD_PIO, SWD_IN_SM) >> (32U - clock_cycles); cros_sem_post(swdptap_lock); return ret; } bool swdptap_seq_in_parity (uint32_t *ret, size_t clock_cycles) { if (clock_cycles == 0 ){ return false ; } if (cros_sem_pend(swdptap_lock, 1000u )){ return false ; } uint32_t has_trn = 0 ; if (dio_dir != SWDIO_STATUS_FLOAT){ dio_dir = SWDIO_STATUS_FLOAT; has_trn = 1 ; } if (seq_out_count > 0 ){ pio_sm_get_blocking(SWD_PIO, SWD_OUT_SM); seq_out_count--; } pio_sm_put_blocking(SWD_PIO, SWD_IN_SM, has_trn | ((clock_cycles - 1 ) << 1 ) | (1 << 6 )); uint32_t value = pio_sm_get_blocking(SWD_PIO, SWD_IN_SM) >> (32U - clock_cycles); uint32_t parity = pio_sm_get_blocking(SWD_PIO, SWD_IN_SM) >> 31 ; dio_dir = SWDIO_STATUS_DRIVE; cros_sem_post(swdptap_lock); *ret = value; return __builtin_parity(value) == parity; }
该代码完成的时序效果如下，可以得到更紧凑的CLK波形，CLK空闲时间更短。
一个额外的软件 很多人喜欢Jlink除了它性能强大外，还因为它用于丰富的上位机软件支持，比如J-Flash，实现固件烧录比较方便。对于CMSIS-DAP来说，上位机软件选择似乎不多，除了IDE内部集成外，只有openocd这个选择。但是openocd没有官方支持的GUI程序，使用命令行在一些效率上还是不及J-Flash这种图形界面来的方便，毕竟openocd的命令太多了。
所以我开发了一个用于CMSIS-DAP的上位机工具叫DFlash，支持大部分Cortex单片机(底层采用openocd，所以就是openocd支持的芯片)。支持固件的上传和下载，支持elf、hex、bin文件，可以显示文件的二进制数据视图。文件支持拖拽打开，大部分逻辑和jflash类似。打开bin文件时会弹出对话框提示输入下载地址，hex和elf文件可以自动识别下载地址。
支持v1和v2版本的CMSIS-DAP，可以搜索本机连接的多个CMSIS-DAP，并选择下载器。
目前软件的主要功能已经完成，还需要添加unlock等chip操作功能。此外还需要完善下载进度和UI上的一些调整。
功能完善后会发布并开源该软件。
