痞子衡嵌入式：飛思卡爾Kinetis開發板OpenSDA調試器那些事（上）- 背景與架構

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　　你們好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給你們介紹的是飛思卡爾Kinetis MCU開發闆闆載OpenSDA調試器（上篇）。

　　衆所周知，嵌入式軟件開發幾乎離不開調試器，由於寫一個稍有代碼規模（5K行以上）的嵌入式應用程序通常不可能一次性搞定，沒有任何bug，出了bug並不可怕，只要咱們能儘快定位bug並修復便可，調試器就是定位bug的利器，有了調試器咱們即可以進入系統主控芯片內部一窺究竟，控制芯片執行代碼的動做，實時查看芯片內部狀態，輔以各類調試技巧讓bug無處藏身。
　　飛思卡爾Kinetis MCU屬於ARM Cortex-M系列芯片，所以本文主要介紹的Cortex-M系列芯片調試器，目前市面上Cortex-M調試器種類（這裏主要指的是硬件生產商）很是多，主要分爲以下兩大陣營：

• 第三方公司出品：SEGGER的J-Link、IAR的I-jet、ARM的ULINK、開源項目OpenJTAG等
  
• 半導體廠商出品：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屬於陣營裏的後者，其通常不單獨存在，都是附着在飛思卡爾Kinetis官方開發板上，你能夠理解爲OpenSDA調試器是專爲Kinetis芯片設計的（但其實其firmware設計是能夠作到通用於全部Cortex-M芯片的），今天痞子衡就爲你們介紹OpenSDA項目的前因後果，讓你們對OpenSDA項目有一個總體認識。

1、OpenSDA項目背景

　　OpenSDA全稱是Open-standard Serial and Debug Adapter，從名字上來看，這個項目是要作一個開放標準的串口與調試適配器，該項目主要是爲了Kinetis芯片配套官方開發板而設計的，直接板載在Kinetis官方開發板上，用於取代傳統的第三方仿真器（好比J-Link）+開發板的開發調試模式。
　　衆所周知，ARM公司於2010年2月正式發佈Cortex-M4內核，飛思卡爾於2010年8月推出其第一款ARM Cortex-M內核芯片Kinetis K60，這也是業界一款Cortex-M4內核的芯片。OpenSDA項目並非從Kinetis誕生之初便存在的，不信你能夠查看最先的Kinetis Tower開發板 TWR-K60D100M 原理圖（該板通用於Kinetis K十、K20、K60芯片），早期的Kinetis開發闆闆載調試器爲OSBDM/OSJTAG，這是一種早已廣泛應用於飛思卡爾HCS十二、DSC、PowerPC系列芯片開發板上的調試器，OSBDM/OSJTAG調試器主芯片爲MC9S08JM60CLD（S08JM系列）。

　　隨着Kinetis芯片的不斷推出，OpenSDA項目逐漸醞釀成熟，尤爲是2012年隨着飛思卡爾Cortex-M0+內核Kinetis L系列芯片的走紅，OpenSDA調試器開始大面積應用於Kinetis L系列芯片配套的Freedom開發板上，今後取代OSBDM/OSJTAG成爲Kinetis開發板上的標準調試器，你們能夠看一下下面這款經典的 FRDM-KL25Z 原理圖，其板載調試器即爲OpenSDA調試器（V1），OpenSDA調試器主芯片選用的MK20DX128VFM5（Kinetis K20系列）。

2、OpenSDA硬件電路

　　歸納來講，OpenSDA調試器主要由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件主要分爲主芯片和外圍接口電路，下面痞子衡分別爲你們介紹OpenSDA的主芯片和外圍接口電路。

2.1 不可撼動的男主（MK20DX128VFM5）

　　對於一個調試器項目來講，主芯片的選用相當重要，這直接決定了調試器的性能。OpenSDA調試器主芯片選用的是MK20DX128VFM5，這是一款Cortex-M4內核，主頻50MHz，16KB SRAM，160KB ROM（128KB Flash，32KB FlexNVM(最大2KB EEPROM)），內置1個USBFS控制器，QFN32封裝的芯片。
　　爲什麼選擇Kinetis芯片做爲調試器主控？固然是爲了進一步推廣Kinetis系列的知名度，畢竟飛思卡爾的Cortex-M芯片推出較晚。那麼爲什麼選擇Kinetis K2x系列芯片呢？這要從下面Kinetis K系列的特性表裏才能找到答案，從下表能夠咱們看出K2x系列是支持USB接口的入門芯片，而調試器主控是必需要支持USB接口的。

　　爲什麼選擇型號爲MK20DX128VFM5的K2x芯片呢？雖然這款芯片屬於K2x系列裏最低配型號（考慮到調試器將隨着開發板大面積推廣，成本也是一個不可忽略的因素），可是其外設（USBFS, UART, SPI）與存儲（16KB RAM，160KB ROM）方面是知足調試器項目要求的。有人可能會問，50MHz主頻會不會有點低，從而影響調試器性能？痞子衡能夠明確地告訴你，性能是夠的，做爲對比SEGGER J-Link V7/V8裏的主控是Atmel AT91SAM7S64（ARM7TDMI內核, 55MHz主頻）。

2.2 幾經搬遷的行宮（V1/V2/V2.1/V2.2）

　　肯定了調試器主芯片，下一步即是設計調試器外圍接口電路，實際上外圍電路發展至今不止一個版本，咱們能夠在飛思卡爾官網 OpenSDA項目主頁 裏的Download – OpenSDA Bootloader and Application下面找到以下各版本典型的開發板：

　　不過這些版本主要都是硬件設計細節方面的小改動，而對於調試器軟件開發而言其實並無變化，由於接口Pinout並無改變，痞子衡將上述各開發板原理圖裏的OpenSDA電路仔細查看對比整理出了以下通用的OpenSDA硬件原理簡圖：

　　從上面原理簡圖咱們能夠看出，OpenSDA電路其實很是簡潔，除了電源、晶振、主芯片K20自身的調試接口外，其餘跟OpenSDA調試器功能相關的主要有五部分電路：

1. 藍色LED： 指示OpenSDA調試器工做狀態，主要有兩種狀態，一種是常亮（正常運行模式），另外一種是閃爍（自身Firmware更新模式）。
2. Boot按鍵： 用於輔助進入OpenSDA調試器自身Firmware更新模式（也叫MSD Bootloader模式），電路上電前按下Boot按鍵不放便可進入MSD Bootloader模式（可在PC裏看到新增名爲BOOTLOADER的磁盤），往磁盤裏拷貝相應調試器Firmware文件便可完成更新。
3. USB接口： 與上位機PC鏈接，完成後續USB轉串口（可到PC設備管理器看到新增串口設備）, SWD調試交互功能。
4. UART接口： 與目標MCU鏈接。
5. SWD接口： 與目標MCU鏈接。

3、OpenSDA軟件設計

　　隨着OpenSDA項目的不斷迭代，目前（2018年9月）OpenSDA調試器版本已經更新到V2.2，飛思卡爾官網有 OpenSDA項目主頁，在主頁上咱們能夠看到以下OpenSDA項目版本對比：

3.1 軟件架構

　　不論是哪一個版本的OpenSDA，其軟件架構是一致的，以下圖所示，OpenSDA軟件主要由兩部分組成：MSD Bootloader、OpenSDA Application(Firmware)，其中MSD Bootloader佔據調試器主控K20芯片內部Flash的上半區，K20芯片上電永遠先執行MSD Bootloader程序，MSD Bootloader功能比較單一，就是用來更新OpenSDA Firmware，這樣使得調試器軟件升級比較容易。
　　OpenSDA Firmware則是調試器的核心，調試器的主要功能（SWD調試、USB轉串口）均是這個應用程序實現的，OpenSDA Firmware佔據K20芯片內部Flash的下半區，其自己不能上電自動執行，必須由MSD Bootloader引導執行。

3.2 後宮佳麗有三個（軟件服務商）

　　說到OpenSDA Firmware的供應商，主要有三個，分別是P&EMicro、ARM Mbed、SEGGER，且聽痞子衡一一道來：

3.2.1 原配P&E Micro

　　P&EMicro公司是OpenSDA項目最先的Firmware軟件服務商，其Firmware軟件專爲OpenSDA設計，咱們能夠從下面網站下載到其開發的Firmware和配套上位機驅動：

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

　　不過比較遺憾的是P&EMicro公司並不開源其開發的Firmware源碼，而在OpenSDA這個立志要開源的調試器項目裏，Firmware不開源是一件比較奇怪的事，所以P&EMicro版本的Firmware逐漸沒落。

3.2.2 新歡ARM Mbed（DAPLink）

　　ARM公司（Mbed）是OpenSDA項目第二個Firmware軟件服務商，雖然ARM官方已經設計了本身的ULINK調試器（ULINK主控爲Cypress加強8051內核芯片AN2131QC、ULINK2主控爲NXP公司ARM7內核芯片LPC2148FB064，ULINKpro主控爲Xilinx VIRTEX FPGA），但爲了ARM芯片的開放生態，其也同時主導了DAPLink項目（早期叫CMSIS-DAP項目，後來改名爲DAPLink），下面是其官網：

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

　　DAPLink項目是徹底開源的，目前支持的主控芯片主要有5款：K20DX, KL26, LPC11U35, LPC4322, SAM3U2C，其中K20DX便是應用於OpenSDA的主控，另外4款芯片分別用於其餘類型的調試器，此處再也不展開。DAPLink版Firmware因其開放的生態使其大受歡迎，是目前的主流。

3.2.3 野花SEGGER（J-Link）

　　SEGGER公司是OpenSDA項目第三個Firmware軟件服務商，雖然SEGGER設計已久的通用型J-Link調試器是目前市場上最流行的，但SEGGER並無所以固步自封，SEGGER看到OpenSDA調試器在Kinetis開發板上大面積推廣，想到了一個很是聰明的策略，那即是免費爲OpenSDA設計一個與J-Link軟件兼容的Firmware，使OpenSDA搖身一變成爲一個簡配版J-Link。

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

　　因爲SEGGER公司是個靠軟件服務收費的商業公司，所以SEGGER版Firmware並不開源，而且調試功能上也受必定限制，但這並不影響SEGGER版Firmware的流行，所以J-Link調試器實在是太普及了，J-Link上位機軟件功能（J-Link Commander等）也很是強大。

　　至此，飛思卡爾Kinetis MCU開發闆闆載OpenSDA調試器（上篇）痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裏~~~