痞子衡嵌入式：飛思卡爾i.MX RTyyyy系列MCU硬體那些事（2.1）- 玩轉板載OpenSDA,Freelink偵錯程式
大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是飛思卡爾i.MX RTyyyy系列EVK上板載偵錯程式的用法。
本文是i.MXRT硬體那些事系列第二篇，第一篇痞子衡給大家整體介紹了i.MXRT官方EVK，從本文開始痞子衡將細聊EVK上的元件，今天要講的是一個非常經典而且常用的元件 - 板載偵錯程式。如今各大半導體廠商推出的EVK基本都會配置自己家設計的板載偵錯程式，方便客戶開箱即用，不需要自己額外準備模擬器。眾所周知，在嵌入式開發裡偵錯程式的作用是非常巨大的，用好偵錯程式可以事半功倍。那麼恩智浦出品的板載偵錯程式有哪些特點呢？痞子衡將會為你揭祕：
一、背景簡介
說到i.MXRT系列EVK板載偵錯程式的背景，那真是一段長長的歷史。恩智浦在2015年收購了飛思卡爾，這兩家知名半導體公司在這之前都設計了自己的板載偵錯程式，飛思卡爾是OpenSDA偵錯程式，主要用於Kinetis系列Tower/FRDM開發板；恩智浦是LPC-Link偵錯程式，主要用於LPC系列LPCXpresso開發板。i.MXRT系列是在兩家合併之後新推出的MCU產品，那麼到底要採用哪一種板載偵錯程式呢？設計i.MXRT EVK的工程師也曾糾結過，這個糾結最終也反映到了i.MXRT EVK上。
早期i.MXRT晶片（RT1050/RT1020）EVK上配置的是OpenSDA偵錯程式，從RT1060以及之後的晶片開始，EVK上板載偵錯程式全部換成了Freelink（其實Freelink就是LPC-Link，在i.MXRT EVK上叫LPC-Link聽起來怪怪的，所以改了個名字），為什麼會從OpenSDA偵錯程式換到Freelink偵錯程式？因為i.MXRT晶片主要是由原飛思卡爾團隊設計的，所以板載偵錯程式第一選擇當然是輕車熟路的OpenSDA，但是Freelink主控晶片LPC4322（雙核CM4+CM0, 204MHz）相比OpenSDA主控MK20DX128（單核CM4, 50MHz）要強大得多，使用LPC4322作為偵錯程式主控不僅效能更佳，未來功能拓展性也更好（君不見SEGGER J-Link從V10開始主控也選擇了LPC4300系列LPC4337），因此高效能的Freelink偵錯程式顯然更適合i.MXRT EVK。
二、核心功能
上一節講了無論是OpenSDA介面還是Freelink介面的偵錯程式，其實從除錯使用角度來說，它們本質上都是DAPLink偵錯程式，其功能特點都取決於DAPLink韌體，繼續回到DAPLink專案主頁，可以看到如下功能介紹：
總體來說DAPLink韌體主要有三大功能，第一是CMSIS-DAP協議的線上除錯，知名IDE（Keil MDK、IAR EWARM）裡都有CMSIS-DAP協議選項；第二是虛擬串列埠，嵌入式開發裡，串列埠是常用的互動方式，DAPLink使用USB CDC虛擬了串列埠，為你省去了一個USB轉串列埠的模組（如CH340T模組）；第三是拖拽進U盤下載，DAPLink還額外做了一個U盤拖拽下載的功能，方便使用者將應用程式下載到片內/片外Flash裡。需要注意的是，虛擬串列埠與U盤下載功能都是板級相關的，跟I/O連線以及Flash型號綁定了。
三、使用示例
講完了DAPLink三大核心功能，下面痞子衡將結合恩智浦官方SDK裡的示例工程為大傢俱體演示這三大功能。
3.1 準備工作
- 準備一塊IMXRT1050-EVKB（Rev.A）或者MIMXRT1060-EVK（Rev.A1），假設板載偵錯程式裡的DAPLink韌體是完好的。
- 準備一臺PC，最好是Win10系統，如果是Win10以下系統需要手動安裝好 serial port driver，注意要連線EVK上安裝驅動，詳見 安裝注意事項。
- 準備一根Micro USB連線線，一端接上EVK的J14口，另一端連PC，EVK供電方式選擇DAPLink（將J1的Pin5和Pin6連線）。
- 在PC上安裝至少一個IDE（MCUXpresso/MDK/IAR），痞子衡安裝的是IAR EWARM v8.32.2。
- 進入 MCUXpresso SDK Builder主頁 下載最新的RT1050或RT1060 SDK開發包，Toolchain全部勾選上。
一切準備工作就緒，你應該可以看到EVK上電源燈D3顯示黃色，這表明DAPLink供電正常，再開啟裝置管理器，可以看到如下三處裝置，表明DAPLink驅動也在正常工作。
3.2 演示一：線上除錯
首先演示的是線上除錯，其實更準確的說是在內部SRAM中除錯，即利用板載DAPLink偵錯程式直接將應用程式下載進i.MXRT內部SRAM中，並跳轉到應用程式中單步執行。當然有朋友會疑問，除了在內部SRAM除錯，還有在外部SDRAM除錯和在外部SPI NOR Flash除錯，後兩種不是本小節討論的內容，痞子衡會在後續的文章中再細聊。
以RT1050-EVKB為例，使用IAR開啟SDK裡的 \boards\evkbimxrt1050\demo_apps\hello_world\iar 工程，hello_world是SDK裡最典型的例程，該例程一共包含6個Project build（不算xx_debug/xx_release區別），其中debug或ram_0x1400_debug是連結到SRAM中的工程（.text段在ITCM裡，.data段在DTCM裡），這兩個build即可用作在SRAM除錯，選中debug工程，確認工程Options裡的Debugger選的是CMSIS-DAP，然後點選IAR選單欄上的“Download and Debug (Ctrl+D)”按鈕，便能進入單步除錯。
3.3 演示二：虛擬串列埠
繼續演示虛擬串列埠，RT1050/RT1060 SDK裡hello_world例程使能的是UART1（GPIO_AD_B0_12/13），OpenSDA/Freelink主控晶片與i.MXRT晶片的UART連線正是這個，因此DAPLink虛擬出來的串列埠可直接用於hello_world例程。
進入hello_world工程單步除錯以後，隨便開啟一個串列埠除錯助手，COM口設為39（與3.1節裡裝置管理器裡裝置號一致），然後直接按F5執行，可以在串列埠除錯助手接收區裡看到"hello world."打印出來。如果沒有看到列印資訊，請檢查J30/J31（RT1050-EVKB）或J45/J46（RT1060-EVK）是否已連線。
3.4 演示三：U盤拖拽下載
最後演示U盤拖拽下載，前面講的線上除錯是把應用程式直接下載到i.MXRT內部SRAM中，斷電重啟後應用程式就丟失了，而U盤拖拽下載是將應用程式下載到外部SPI NOR Flash中，斷電重啟後ROM會負責啟動SPI NOR Flash中的程式，因此可以實現離線執行。如果你看過痞子衡 《i.MXRT啟動那些事》 系列文章，你應該知道所有型別的應用程式都可以儲存在SPI NOR Flash中，無論是在Flash中XIP執行，還是在SRAM/SDRAM中執行，但是這些需要離線執行的應用程式必須要加上必要的i.MXRT啟動頭（FDCB，IVT, BootData）形成Bootable image才可以儲存在SPI NOR Flash中，而U盤拖拽下載僅適用Bootable image。
仍以RT1050-EVKB為例，前面說過hello_world一共包含6個Project build，其中flexspi_nor_debug和flexspi_nor_sdram_debug工程可以直接生成Bootable image，因為這兩個Build使能了XIP_BOOT_HEADER_ENABLE，這個巨集決定了evkbimxrt1050_flexspi_nor_config.c中的hyperflash_config結構體常量和fsl_flexspi_nor_boot.c中的image_vector_table、boot_data結構體常量是否會被連結進最終的可執行檔案。
痞子衡講過，U盤拖拽下載是跟Flash型別相關的，咱們再開啟RT1050-EVKB原理圖，找到其中NOR Flash部分，從原理圖上來看，RT1050-EVKB有兩種型別NOR Flash可選，分別是八線HyperFlash（S26KS512SDPBHI02）和四線QSPI Flash（IS25WP064AJBLE），而預設連線的是八線HyperFlash，SDK例程裡的flexspi_nor_xx build使能的啟動頭（FDCB）也正是對應HyperFlash（即evkbimxrt1050_flexspi_nor_config.c檔案裡的hyperflash_config）。
在進行U盤拖拽之前，首先需要設定RT1050-EVKB的撥碼開關SW7，從原理圖上看，SW7的3、4位對應Boot Mode，我們需要將Boot Mode設為2'b01，即設定i.MXRT晶片進入Serial Downloader模式，然後重新上電，再進行U盤拖拽下載。為什麼需要這麼做？這是因為如果i.MXRT晶片處於非Serial Downloader模式（比如Internal Boot），板子上電，ROM會嘗試初始化FlexSPI模組去訪問外部Flash，如果FlexSPI模組被初始化過一次，這可能會導致DAPLink中的FlexSPI驅動不能正常工作。
現在讓我們選中flexspi_nor_debug工程，確認工程Options裡Output Converter中Output format選擇的是"Raw binary"，編譯工程生成可執行檔案hello_world.bin，然後將這個bin檔案拖拽進名為 "RT1050-EVK" 的虛擬U盤裡：
U盤拖拽下載已成功，現在讓我們檢驗一下應用程式是否能夠離線執行，首先需要將Boot Mode設為2'b10，即設定i.MXRT晶片進入Internal Boot模式，然後還需要設定i.MXRT從外部SPI NOR Flash啟動，從原理圖上看，SW7的1、2位對應BOOT_CFG[9]、BOOT_CFG[6]，我們需要將BOOT_CFG[6]設成1'b0，即從FlexSPI1 NOR啟動，然後再將BOOT_CFG[9]設成1'b1，即FLASH_TYPE選擇010 - HyperFlash 1V8，與EVK上連線的Flash型別保持一致。此時斷電重啟，你應該可以看到hello world離線運行了。
至於RT1060-EVK的U盤拖拽下載，其實與RT1050-EVKB差不多，只是需要注意的是RT1060-EVK上預設連線的Flash是四線QSPI Flash，SDK例程裡的flexspi_nor_xx build使能的啟動頭（FDCB）也對應的是QSPI Flash（即evkimxrt1060_flexspi_nor_config.c檔案裡的qspiflash_config）。U盤下載成後BOOT_CFG[9]需設成1'b0，即FLASH_TYPE選擇000 - Device supports 3B read by default。
四、更新韌體
講完了DAPLink偵錯程式的功能與使用，最後再介紹一下更新DAPLink韌體的方法。那麼我們為什麼需要更新DAPLink韌體？我們知道ARM官方一直在維護DAPLink專案，程式碼也在不斷地更新，或修復bug或新增功能，使用最新的DAPLink韌體總不是壞事。有人可能會說，只要舊的DAPLink韌體功能足夠我使用，我就沒有必要更新，確實有一定道理，但出現如下兩種情況，你就不得不更新DAPLink韌體：
- 你為i.MXRT-EVK更換了Flash連線（比如從HyperFlash換到了QSPI Flash），而且你還想繼續使用DAPLink的U盤拖拽下載
- i.MXRT官方SDK的重大升級，並且DAPLink韌體與SDK存在某種聯絡。據痞子衡所知，SDK 2.3.x的時候，DAPLink是可以自動為拖拽進U盤的裸image加啟動頭的，而到了SDK 2.6.x的時候，DAPLink就是直接下載Bootable image。
現在讓我們試一下更換DAPLink韌體，其實操作很簡單，你還記得DAPLink偵錯程式的U盤拖拽下載嗎？其實DAPLink韌體的更新也是用U盤拖拽下載的方式，因為DAPLink專案本身包含DAPLink Bootloader和DAPLink韌體，下載使用者應用程式我們藉助的是DAPLink韌體，而更新DAPLink韌體，我們則需要藉助DAPLink Bootloader。
首先讓我們準備一個DAPLink韌體，我們不需要去DAPLink專案主頁自己去編韌體，直接進到恩智浦 OpenSDA主頁 ，還是以RT1050-EVKB為例吧，預設DAPLink韌體是支援onboard hyper-flash的，我們現在將其換為支援onboard spi-flash的韌體，點選DAPLink v0244 - Supports onboard spi-flash下面的Download Binary即可下載到k20dx_mimxrt1050_evk_qspi_if_crc_20180419.zip包，將包解壓后里面即是我們要的韌體（.bin格式）。
有了新韌體，這時候需要讓DAPLink進入Bootloader模式，確認J27（RT1050-EVKB）/J43（RT1060-EVK）連線的是Pin1-2，然後按住SW4（RT1050-EVKB）/SW9（RT1060-EVK）按鈕，斷電重啟，如果出現名為 "MAINTENANCE" 的虛擬U盤，即表明進入DAPLink Bootloader模式成功，這時候將新韌體拖拽進去即大功告成。
至此，飛思卡爾i.MX RTyyyy系列EVK上板載偵錯程式的用法痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡