痞子衡嵌入式：飛思卡爾Kinetis開發板OpenSDA偵錯程式那些事（上）- 背景與架構
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Kinetis MCU開發闆闆載OpenSDA偵錯程式（上篇） 。
眾所周知，嵌入式軟體開發幾乎離不開偵錯程式，因為寫一個稍有程式碼規模（5K行以上）的嵌入式應用程式一般不可能一次性搞定，沒有任何bug，出了bug並不可怕，只要我們能儘快定位bug並修復即可，偵錯程式就是定位bug的利器，有了偵錯程式我們便可以進入系統主控晶片內部一窺究竟，控制晶片執行程式碼的動作，實時檢視晶片內部狀態，輔以各種除錯技巧讓bug無處藏身。
飛思卡爾Kinetis MCU屬於ARM Cortex-M系列晶片，因此本文主要介紹的Cortex-M系列晶片偵錯程式，目前市面上Cortex-M偵錯程式種類（這裡主要指的是硬體生產商）非常多，主要分為如下兩大陣營：
- 第三方公司出品：SEGGER的J-Link、IAR的I-jet、ARM的ULINK、開源專案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屬於陣營裡的後者，其一般不單獨存在，都是附著在飛思卡爾Kinetis官方開發板上，你可以理解為OpenSDA偵錯程式是專為Kinetis晶片設計的（但其實其firmware設計是可以做到通用於所有Cortex-M晶片的），今天痞子衡就為大家介紹OpenSDA專案的來龍去脈，讓大家對OpenSDA專案有一個整體認識。
一、OpenSDA專案背景
OpenSDA全稱是Open-standard Serial and Debug Adapter，從名字上來看，這個專案是要做一個開放標準的串列埠與除錯介面卡，該專案主要是為了Kinetis晶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模擬器（比如J-Link）+開發板的開發除錯模式。
眾所周知，ARM公司於2010年2月正式釋出Cortex-M4核心，飛思卡爾於2010年8月推出其第一款ARM Cortex-M核心晶片Kinetis K60，這也是業界一款Cortex-M4核心的晶片。OpenSDA專案並不是從Kinetis誕生之初便存在的，不信你可以檢視最早的Kinetis Tower開發板 ofollow,noindex" target="_blank">TWR-K60D100M 原理圖（該板通用於Kinetis K10、K20、K60晶片），早期的Kinetis開發闆闆載偵錯程式為OSBDM/OSJTAG，這是一種早已普遍應用於飛思卡爾HCS12、DSC、PowerPC系列晶片開發板上的偵錯程式，OSBDM/OSJTAG偵錯程式主晶片為MC9S08JM60CLD（S08JM系列）。
隨著Kinetis晶片的不斷推出，OpenSDA專案逐漸醞釀成熟，尤其是2012年隨著飛思卡爾Cortex-M0+核心Kinetis L系列晶片的走紅，OpenSDA偵錯程式開始大面積應用於Kinetis L系列晶片配套的Freedom開發板上，從此取代OSBDM/OSJTAG成為Kinetis開發板上的標準偵錯程式，大家可以看一下下面這款經典的 FRDM-KL25Z 原理圖，其板載偵錯程式即為OpenSDA偵錯程式（V1），OpenSDA偵錯程式主晶片選用的MK20DX128VFM5（Kinetis K20系列）。
二、OpenSDA硬體電路
概括來說，OpenSDA偵錯程式主要由硬體和軟體兩部分組成，其中硬體主要分為主晶片和外圍介面電路，下面痞子衡分別為大家介紹OpenSDA的主晶片和外圍介面電路。
2.1 不可撼動的男主（MK20DX128VFM5）
對於一個偵錯程式專案來說，主晶片的選用至關重要，這直接決定了偵錯程式的效能。OpenSDA偵錯程式主晶片選用的是MK20DX128VFM5，這是一款Cortex-M4核心，主頻50MHz，16KB SRAM，160KB ROM（128KB Flash，32KB FlexNVM(最大2KB EEPROM)），內建1個USBFS控制器，QFN32封裝的晶片。
為何選擇Kinetis晶片作為偵錯程式主控？當然是為了進一步推廣Kinetis系列的知名度，畢竟飛思卡爾的Cortex-M晶片推出較晚。那麼為何選擇Kinetis K2x系列晶片呢？這要從下面Kinetis K系列的特性表裡才能找到答案，從下表可以我們看出K2x系列是支援USB介面的入門晶片，而偵錯程式主控是必須要支援USB介面的。
為何選擇型號為MK20DX128VFM5的K2x晶片呢？雖然這款晶片屬於K2x系列裡最低配型號（考慮到偵錯程式將隨著開發板大面積推廣，成本也是一個不可忽略的因素），但是其外設（USBFS, UART, SPI）與儲存（16KB RAM，160KB ROM）方面是滿足偵錯程式專案要求的。有人可能會問，50MHz主頻會不會有點低，從而影響偵錯程式效能？痞子衡可以明確地告訴你，效能是夠的，作為對比SEGGER J-Link V7/V8裡的主控是Atmel AT91SAM7S64（ARM7TDMI核心, 55MHz主頻）。
2.2 幾經搬遷的行宮（V1/V2/V2.1/V2.2）
確定了偵錯程式主晶片，下一步便是設計偵錯程式外圍介面電路，實際上外圍電路發展至今不止一個版本，我們可以在飛思卡爾官網 OpenSDA專案主頁 裡的Download – OpenSDA Bootloader and Application下面找到如下各版本典型的開發板：
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不過這些版本主要都是硬體設計細節方面的小改動，而對於偵錯程式軟體開發而言其實並沒有變化，因為介面Pinout並沒有改變，痞子衡將上述各開發板原理圖裡的OpenSDA電路仔細檢視對比整理出瞭如下通用的OpenSDA硬體原理簡圖：
從上面原理簡圖我們可以看出，OpenSDA電路其實非常簡潔，除了電源、晶振、主晶片K20自身的除錯介面外，其他跟OpenSDA偵錯程式功能相關的主要有五部分電路：
- 藍色LED ： 指示OpenSDA偵錯程式工作狀態，主要有兩種狀態，一種是常亮（正常執行模式），另一種是閃爍（自身Firmware更新模式）。
- Boot按鍵 ： 用於輔助進入OpenSDA偵錯程式自身Firmware更新模式（也叫MSD Bootloader模式），電路上電前按下Boot按鍵不放即可進入MSD Bootloader模式（可在PC裡看到新增名為BOOTLOADER的磁碟），往磁盤裡拷貝相應偵錯程式Firmware檔案即可完成更新。
- USB介面 ： 與上位機PC連線，完成後續USB轉串列埠（可到PC裝置管理器看到新增串列埠裝置）, SWD除錯互動功能。
- UART介面 ： 與目標MCU連線。
- SWD介面 ： 與目標MCU連線。
三、OpenSDA軟體設計
隨著OpenSDA專案的不斷迭代，目前（2018年9月）OpenSDA偵錯程式版本已經更新到V2.2，飛思卡爾官網有 OpenSDA專案主頁 ，在主頁上我們可以看到如下OpenSDA專案版本對比：
3.1 軟體架構
不管是哪個版本的OpenSDA，其軟體架構是一致的，如下圖所示，OpenSDA軟體主要由兩部分組成：MSD Bootloader、OpenSDA Application(Firmware)，其中MSD Bootloader佔據偵錯程式主控K20晶片內部Flash的上半區，K20晶片上電永遠先執行MSD Bootloader程式，MSD Bootloader功能比較單一，就是用來更新OpenSDA Firmware，這樣使得偵錯程式軟體升級比較容易。
OpenSDA Firmware則是偵錯程式的核心，偵錯程式的主要功能（SWD除錯、USB轉串列埠）均是這個應用程式實現的，OpenSDA Firmware佔據K20晶片內部Flash的下半區，其本身不能上電自動執行，必須由MSD Bootloader引導執行。
3.2 後宮佳麗有三個（軟體服務商）
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專案最早的Firmware軟體服務商，其Firmware軟體專為OpenSDA設計，我們可以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原始碼，而在OpenSDA這個立志要開源的偵錯程式專案裡，Firmware不開源是一件比較奇怪的事，因此P&EMicro版本的Firmware逐漸沒落。
3.2.2 新歡ARM Mbed（DAPLink）
ARM公司（Mbed）是OpenSDA專案第二個Firmware軟體服務商，雖然ARM官方已經設計了自己的ULINK偵錯程式（ULINK主控為Cypress增強8051核心晶片AN2131QC、ULINK2主控為NXP公司ARM7核心晶片LPC2148FB064，ULINKpro主控為Xilinx VIRTEX FPGA），但為了ARM晶片的開放生態，其也同時主導了DAPLink專案（早期叫CMSIS-DAP專案，後來更名為DAPLink），下面是其官網：
- ARMMbed CMSIS-DAP主頁: https://os.mbed.com/handbook/cmsis-dap-interface-firmware
- ARMMbed CMSIS-DAP原始碼: https://github.com/mbedmicro/CMSIS-DAP
- ARMMbed DAPLink主頁: https://os.mbed.com/handbook/DAPLink
- ARMMbed DAPLink原始碼: https://github.com/ARMmbed/DAPLink
DAPLink專案是完全開源的，目前支援的主控晶片主要有5款：K20DX, KL26, LPC11U35, LPC4322, SAM3U2C，其中K20DX即是應用於OpenSDA的主控，另外4款晶片分別用於其他型別的偵錯程式，此處不再展開。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專案第三個Firmware軟體服務商，雖然SEGGER設計已久的通用型J-Link偵錯程式是目前市場上最流行的，但SEGGER並沒有因此固步自封，SEGGER看到OpenSDA偵錯程式在Kinetis開發板上大面積推廣，想到了一個非常聰明的策略，那便是免費為OpenSDA設計一個與J-Link軟體相容的Firmware，使OpenSDA搖身一變成為一個簡配版J-Link。
- SEGGER OpenSDA主頁: https://www.segger.com/products/debug-probes/j-link/models/other-j-links/opensda-sda-v2/
由於SEGGER公司是個靠軟體服務收費的商業公司，因此SEGGER版Firmware並不開源，並且除錯功能上也受一定限制，但這並不影響SEGGER版Firmware的流行，因此J-Link偵錯程式實在是太普及了，J-Link上位機軟體功能（J-Link Commander等）也非常強大。
至此，飛思卡爾Kinetis MCU開發闆闆載OpenSDA偵錯程式（上篇）痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~