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　　大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是飛思卡爾Kinetis MCU開發(fā)板板載OpenSDA調(diào)試器（上篇）。

　　眾所周知，嵌入式軟件開發(fā)幾乎離不開調(diào)試器，因?yàn)閷懸粋€(gè)稍有代碼規(guī)模（5K行以上）的嵌入式應(yīng)用程序一般不可能一次性搞定，沒(méi)有任何bug，出了bug并不可怕，只要我們能盡快定位bug并修復(fù)即可，調(diào)試器就是定位bug的利器，有了調(diào)試器我們便可以進(jìn)入系統(tǒng)主控芯片內(nèi)部一窺究竟，控制芯片執(zhí)行代碼的動(dòng)作，實(shí)時(shí)查看芯片內(nèi)部狀態(tài)，輔以各種調(diào)試技巧讓bug無(wú)處藏身。
　　飛思卡爾Kinetis MCU屬于ARM Cortex-M系列芯片，因此本文主要介紹的Cortex-M系列芯片調(diào)試器，目前市面上Cortex-M調(diào)試器種類（這里主要指的是硬件生產(chǎn)商）非常多，主要分為如下兩大陣營(yíng)：

• 第三方公司出品：SEGGER的J-Link、IAR的I-jet、ARM的ULINK、開源項(xiàng)目OpenJTAG等
  
• 半導(dǎo)體廠商出品：Freescale的OpenSDA、NXP的LPC-Link、ST的ST-LINK、TI的Stellaris ICDI、Nuvoton的Nu-Link等。

　　本文要講的主角OpenSDA屬于陣營(yíng)里的后者，其一般不單獨(dú)存在，都是附著在飛思卡爾Kinetis官方開發(fā)板上，你可以理解為OpenSDA調(diào)試器是專為Kinetis芯片設(shè)計(jì)的（但其實(shí)其firmware設(shè)計(jì)是可以做到通用于所有Cortex-M芯片的），今天痞子衡就為大家介紹OpenSDA項(xiàng)目的來(lái)龍去脈，讓大家對(duì)OpenSDA項(xiàng)目有一個(gè)整體認(rèn)識(shí)。

一、OpenSDA項(xiàng)目背景

　　OpenSDA全稱是Open-standard Serial and Debug Adapter，從名字上來(lái)看，這個(gè)項(xiàng)目是要做一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)的串口與調(diào)試適配器，該項(xiàng)目主要是為了Kinetis芯片配套官方開發(fā)板而設(shè)計(jì)的，直接板載在Kinetis官方開發(fā)板上，用于取代傳統(tǒng)的第三方仿真器（比如J-Link）+開發(fā)板的開發(fā)調(diào)試模式。
　　眾所周知，ARM公司于2010年2月正式發(fā)布Cortex-M4內(nèi)核，飛思卡爾于2010年8月推出其第一款A(yù)RM Cortex-M內(nèi)核芯片Kinetis K60，這也是業(yè)界一款Cortex-M4內(nèi)核的芯片。OpenSDA項(xiàng)目并不是從Kinetis誕生之初便存在的，不信你可以查看最早的Kinetis Tower開發(fā)板 TWR-K60D100M 原理圖（該板通用于Kinetis K10、K20、K60芯片），早期的Kinetis開發(fā)板板載調(diào)試器為OSBDM/OSJTAG，這是一種早已普遍應(yīng)用于飛思卡爾HCS12、DSC、PowerPC系列芯片開發(fā)板上的調(diào)試器，OSBDM/OSJTAG調(diào)試器主芯片為MC9S08JM60CLD（S08JM系列）。

　　隨著Kinetis芯片的不斷推出，OpenSDA項(xiàng)目逐漸醞釀成熟，尤其是2012年隨著飛思卡爾Cortex-M0+內(nèi)核Kinetis L系列芯片的走紅，OpenSDA調(diào)試器開始大面積應(yīng)用于Kinetis L系列芯片配套的Freedom開發(fā)板上，從此取代OSBDM/OSJTAG成為Kinetis開發(fā)板上的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試器，大家可以看一下下面這款經(jīng)典的 FRDM-KL25Z 原理圖，其板載調(diào)試器即為OpenSDA調(diào)試器（V1），OpenSDA調(diào)試器主芯片選用的MK20DX128VFM5（Kinetis K20系列）。

二、OpenSDA硬件電路

　　概括來(lái)說(shuō)，OpenSDA調(diào)試器主要由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件主要分為主芯片和外圍接口電路，下面痞子衡分別為大家介紹OpenSDA的主芯片和外圍接口電路。

2.1 不可撼動(dòng)的男主（MK20DX128VFM5）

　　對(duì)于一個(gè)調(diào)試器項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，主芯片的選用至關(guān)重要，這直接決定了調(diào)試器的性能。OpenSDA調(diào)試器主芯片選用的是MK20DX128VFM5，這是一款Cortex-M4內(nèi)核，主頻50MHz，16KB SRAM，160KB ROM（128KB Flash，32KB FlexNVM(最大2KB EEPROM)），內(nèi)置1個(gè)USBFS控制器，QFN32封裝的芯片。
　　為何選擇Kinetis芯片作為調(diào)試器主控？當(dāng)然是為了進(jìn)一步推廣Kinetis系列的知名度，畢竟飛思卡爾的Cortex-M芯片推出較晚。那么為何選擇Kinetis K2x系列芯片呢？這要從下面Kinetis K系列的特性表里才能找到答案，從下表可以我們看出K2x系列是支持USB接口的入門芯片，而調(diào)試器主控是必須要支持USB接口的。

　　為何選擇型號(hào)為MK20DX128VFM5的K2x芯片呢？雖然這款芯片屬于K2x系列里最低配型號(hào)（考慮到調(diào)試器將隨著開發(fā)板大面積推廣，成本也是一個(gè)不可忽略的因素），但是其外設(shè)（USBFS, UART, SPI）與存儲(chǔ)（16KB RAM，160KB ROM）方面是滿足調(diào)試器項(xiàng)目要求的。有人可能會(huì)問(wèn)，50MHz主頻會(huì)不會(huì)有點(diǎn)低，從而影響調(diào)試器性能？痞子衡可以明確地告訴你，性能是夠的，作為對(duì)比SEGGER J-Link V7/V8里的主控是Atmel AT91SAM7S64（ARM7TDMI內(nèi)核, 55MHz主頻）。

2.2 幾經(jīng)搬遷的行宮（V1/V2/V2.1/V2.2）

　　確定了調(diào)試器主芯片，下一步便是設(shè)計(jì)調(diào)試器外圍接口電路，實(shí)際上外圍電路發(fā)展至今不止一個(gè)版本，我們可以在飛思卡爾官網(wǎng) OpenSDA項(xiàng)目主頁(yè) 里的Download – OpenSDA Bootloader and Application下面找到如下各版本典型的開發(fā)板：

　　不過(guò)這些版本主要都是硬件設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)方面的小改動(dòng)，而對(duì)于調(diào)試器軟件開發(fā)而言其實(shí)并沒(méi)有變化，因?yàn)榻涌赑inout并沒(méi)有改變，痞子衡將上述各開發(fā)板原理圖里的OpenSDA電路仔細(xì)查看對(duì)比整理出了如下通用的OpenSDA硬件原理簡(jiǎn)圖：

　　從上面原理簡(jiǎn)圖我們可以看出，OpenSDA電路其實(shí)非常簡(jiǎn)潔，除了電源、晶振、主芯片K20自身的調(diào)試接口外，其他跟OpenSDA調(diào)試器功能相關(guān)的主要有五部分電路：

藍(lán)色LED： 指示OpenSDA調(diào)試器工作狀態(tài)，主要有兩種狀態(tài)，一種是常亮（正常運(yùn)行模式），另一種是閃爍（自身Firmware更新模式）。

Boot按鍵： 用于輔助進(jìn)入OpenSDA調(diào)試器自身Firmware更新模式（也叫MSD Bootloader模式），電路上電前按下Boot按鍵不放即可進(jìn)入MSD Bootloader模式（可在PC里看到新增名為BOOTLOADER的磁盤），往磁盤里拷貝相應(yīng)調(diào)試器Firmware文件即可完成更新。

USB接口： 與上位機(jī)PC連接，完成后續(xù)USB轉(zhuǎn)串口（可到PC設(shè)備管理器看到新增串口設(shè)備）, SWD調(diào)試交互功能。

UART接口： 與目標(biāo)MCU連接。

SWD接口： 與目標(biāo)MCU連接。

三、OpenSDA軟件設(shè)計(jì)

　　隨著OpenSDA項(xiàng)目的不斷迭代，目前（2018年9月）OpenSDA調(diào)試器版本已經(jīng)更新到V2.2，飛思卡爾官網(wǎng)有 OpenSDA項(xiàng)目主頁(yè)，在主頁(yè)上我們可以看到如下OpenSDA項(xiàng)目版本對(duì)比：

3.1 軟件架構(gòu)

　　不管是哪個(gè)版本的OpenSDA，其軟件架構(gòu)是一致的，如下圖所示，OpenSDA軟件主要由兩部分組成：MSD Bootloader、OpenSDA Application(Firmware)，其中MSD Bootloader占據(jù)調(diào)試器主控K20芯片內(nèi)部Flash的上半?yún)^(qū)，K20芯片上電永遠(yuǎn)先執(zhí)行MSD Bootloader程序，MSD Bootloader功能比較單一，就是用來(lái)更新OpenSDA Firmware，這樣使得調(diào)試器軟件升級(jí)比較容易。
　　OpenSDA Firmware則是調(diào)試器的核心，調(diào)試器的主要功能（SWD調(diào)試、USB轉(zhuǎn)串口）均是這個(gè)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的，OpenSDA Firmware占據(jù)K20芯片內(nèi)部Flash的下半?yún)^(qū)，其本身不能上電自動(dòng)執(zhí)行，必須由MSD Bootloader引導(dǎo)執(zhí)行。

3.2 后宮佳麗有三個(gè)（軟件服務(wù)商）

　　說(shuō)到OpenSDA Firmware的供應(yīng)商，主要有三個(gè)，分別是P&EMicro、ARM Mbed、SEGGER，且聽痞子衡一一道來(lái)：

3.2.1 原配P&E Micro

　　P&EMicro公司是OpenSDA項(xiàng)目最早的Firmware軟件服務(wù)商，其Firmware軟件專為OpenSDA設(shè)計(jì)，我們可以從下面網(wǎng)站下載到其開發(fā)的Firmware和配套上位機(jī)驅(qū)動(dòng)：

• P&EMicro OpenSDA主頁(yè): http://www.pemicro.com/opensda/

　　不過(guò)比較遺憾的是P&EMicro公司并不開源其開發(fā)的Firmware源碼，而在OpenSDA這個(gè)立志要開源的調(diào)試器項(xiàng)目里，Firmware不開源是一件比較奇怪的事，因此P&EMicro版本的Firmware逐漸沒(méi)落。

3.2.2 新歡ARM Mbed（DAPLink）

　　ARM公司（Mbed）是OpenSDA項(xiàng)目第二個(gè)Firmware軟件服務(wù)商，雖然ARM官方已經(jīng)設(shè)計(jì)了自己的ULINK調(diào)試器（ULINK主控為Cypress增強(qiáng)8051內(nèi)核芯片AN2131QC、ULINK2主控為NXP公司ARM7內(nèi)核芯片LPC2148FB064，ULINKpro主控為Xilinx VIRTEX FPGA），但為了ARM芯片的開放生態(tài)，其也同時(shí)主導(dǎo)了DAPLink項(xiàng)目（早期叫CMSIS-DAP項(xiàng)目，后來(lái)更名為DAPLink），下面是其官網(wǎng)：

• ARMMbed CMSIS-DAP主頁(yè): https://os.mbed.com/handbook/cmsis-dap-interface-firmware
• ARMMbed CMSIS-DAP源碼: https://github.com/mbedmicro/CMSIS-DAP
• ARMMbed DAPLink主頁(yè): https://os.mbed.com/handbook/DAPLink
• ARMMbed DAPLink源碼: https://github.com/ARMmbed/DAPLink

　　DAPLink項(xiàng)目是完全開源的，目前支持的主控芯片主要有5款：K20DX, KL26, LPC11U35, LPC4322, SAM3U2C，其中K20DX即是應(yīng)用于OpenSDA的主控，另外4款芯片分別用于其他類型的調(diào)試器，此處不再展開。DAPLink版Firmware因其開放的生態(tài)使其大受歡迎，是目前的主流。

3.2.3 野花SEGGER（J-Link）

　　SEGGER公司是OpenSDA項(xiàng)目第三個(gè)Firmware軟件服務(wù)商，雖然SEGGER設(shè)計(jì)已久的通用型J-Link調(diào)試器是目前市場(chǎng)上最流行的，但SEGGER并沒(méi)有因此固步自封，SEGGER看到OpenSDA調(diào)試器在Kinetis開發(fā)板上大面積推廣，想到了一個(gè)非常聰明的策略，那便是免費(fèi)為OpenSDA設(shè)計(jì)一個(gè)與J-Link軟件兼容的Firmware，使OpenSDA搖身一變成為一個(gè)簡(jiǎn)配版J-Link。

• SEGGER OpenSDA主頁(yè): https://www.segger.com/products/debug-probes/j-link/models/other-j-links/opensda-sda-v2/

　　由于SEGGER公司是個(gè)靠軟件服務(wù)收費(fèi)的商業(yè)公司，因此SEGGER版Firmware并不開源，并且調(diào)試功能上也受一定限制，但這并不影響SEGGER版Firmware的流行，因此J-Link調(diào)試器實(shí)在是太普及了，J-Link上位機(jī)軟件功能（J-Link Commander等）也非常強(qiáng)大。

　　至此，飛思卡爾Kinetis MCU開發(fā)板板載OpenSDA調(diào)試器（上篇）痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的痞子衡嵌入式：飞思卡尔Kinetis开发板OpenSDA调试器那些事（上）- 背景与架构的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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