基于的RT-THREAD+CherryUSB的daplink实现原理

风火轮技术团队 2023-12-25 3523

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描述

这篇文章主要描述利用RT-THREAD+CherryUSB制作DapLink调试器(R_DapLink)全流程。

这里先感谢网友：sakumisu提供cherryUSB协议栈的技术支持。

什么是下载调试器简单来说，下载调试器是将PC（例如通过USB协议）发送的命令转换为MCU（负责MCU内部外围设备）理解的语言（例如SWD或JTAG协议）的设备，加载代码并精确控制执行。

什么是标准简单来说，标准是一组规则和协议，特定行业中的每个参与者都同意遵循并执行。符合某种内核的单片机Q,都可以使用这种协议来下载程序。JTAG和SWD其实都是一种标准的协议。比如JTAG和SWD,都支特下载ARMQ内核单片机的程序。

各种调试器的区别

「J-Link：」最有名气、各种渠道版本最多，号称支持芯片量最多。

适合场景：如果项目文件比较大，首选！下载又快又稳，仿真调试也是杠杠的神器。

优点：最快、稳如老狗。STM32F407芯片+109K代码实测8秒完成烧录过程。

缺点：最贵，和谐版都四五十元起步，正版上至数千元。注意：V9版本以下的J-Link大多数不支持STM8。

「ST-Link：」随着STM32这十年八年的垄断，ST-Link也跟着发大火了, 妥妥销量一哥。

适合场景：学校里开STM32课程的，几乎每个宿舍都有吧~

优点：便宜、便宜，便宜！x宝13元包邮。特别注意一下：驱动包就在KEIL本身的文件夹里头，你说它多火。

缺点：不够稳定! 可能不时的来个弹窗。

「CMSIS-DAP：」软硬件开源！这两三年，含量在火箭式起飞。很多人知道它是因为技小新和立创EDA的开源工程。比STLink稍贵。

适合场景：玩stm32的，这个是最优选择。

优点：开源、虚拟串口、免驱。大爱的虚拟串口，很爽、很爽, (有些下载器也有虚拟串口)，更爱它开源没心病。

缺点：真没啥缺点，能拼JLink的稳定, 也能拼ST-Link的便宜，还没版权问题！109K代码烧录实测10秒，也算杠杠的吧。

「DAP-Link：」CMSIS-DAP的升级版。

适合场景：嗯，如果你的动手能力高超，这个最合适，软硬都开源，可玩性极高，比如做个拖拽的脱机下载

优点：拖拽烧录、升级固件。包括了CMSIS-DAP的优点：开源+虚拟串口+免驱。

缺点：真没啥缺点，能拼JLink的稳定, 也能拼ST-Link的便宜，还没版权问题！

R_DapLink说明

R_DapLink支持：DapLink+CDC（虚拟串口），采用USB2.1协议。采用GPIO模拟SWD时序

硬件准备

R_DapLink的硬件采用stm32f103c8t6，内核：ARM Cortex-M3，主频：72MHz，Flash：64KB，RAM：20KB。

数据传输

开发板我们需要做一些改动，由于SWD的数据线有输入和输出，我们这里采用两个引脚合并成一个引脚作为SWD的数据线。stm32的GPIOB0作为SWD的数据线的输出，stm32的GPIOA7作为SWD的数据线的输入。

数据传输

准备一个现成的调试器来调试我们的R_DapLink，这里采用正点原子的DapLink。

R_DapLink支持CDC（虚拟串口），所以我们还需要一个串口工具，这里采用CH340。

软件准备

R_DapLink采用RT-Thread作为我们实时系统，提供系统调度，IPC通信。选择RT-Thread的原因：RT-Thread已经包含了cherryUSB协议栈软件，这给我减少了很多移植的工作量。

R_DapLink的USB协议栈采用cherryUSB协议栈，其代码链接：https://github.com/cherry-embedded/CherryUSB。cherryUSB协议栈提供了对应的文档，其文档链接：https://cherryusb.readthedocs.io/zh-cn/latest/

DAPLink：Arm Mbed DAPLink是一个开源软件项目，可以对Arm Cortex CPU上运行的应用程序进行编程和调试。其链接：https://github.com/ARMmbed/DAPLink

移植DapLink

准备rt-thread工程

下载rt-thread的源码，源码链接：https://gitee.com/rtthread/rt-thread，我们采用4.1.1的版本，所以下载完源码需要切换到4.1.1版本中。

下载完源码，进入stm32f103-blue-pill这个BSP，路径：xxxspstm32stm32f103-blue-pill，通过env工具dist出来，

数据传输

从dist目录下拷贝stm32f103-blue-pill工程出来，并修改名字为：r_daplink。

增加cherryUSB软件包

进入上面准备好的工程：r_daplink，在工程目录中打开env工具，输入menuconfig。

数据传输

配置增加cherryUSB

数据传输

r_daplink的USB是作为device，所以选择选择Device mode

数据传输

r_daplink的usb的速度为全速，选择FS，stm32f103c86的USB IP为FSDEV，并选择上cdc，用于实现虚拟串口。

数据传输

增加DAPLink源码

下载DAPLink代码，链接：https://github.com/ARMmbed/DAPLink

DAPLink代码很多，但实际我们只用核心的部分，将DAPLink代码中：sourcedaplinkcmsis-dap目录拷贝到r_daplink工程中。

数据传输

r_daplink工程中增加两个文件：DAP_config.h和IO_Config.h文件。其中：DAP_config.h用于配置DAPLink的配置，并适配SWD时序模拟的GPIO，IO_Config.h用于配置SWD使用到的GPIO的描述。具体内容看我的开源仓：https://gitee.com/RiceChen0/r_daplink。

USB适配

r_daplink的daplink采用winusb+cdc，其中包含3个接口，4个端点，其设备描述符适配：

const uint8_t cdc_winusb_descriptor[] = {
    USB_DEVICE_DESCRIPTOR_INIT(USB_2_1, 0xEF, 0x02, 0x01, USBD_VID, USBD_PID, 0x0100, 0x01),
    USB_CONFIG_DESCRIPTOR_INIT(USB_CONFIG_SIZE, 0x03, 0x01, USB_CONFIG_BUS_POWERED, USBD_MAX_POWER),
    USB_INTERFACE_DESCRIPTOR_INIT(0x00, 0x00, 0x02, 0xff, 0x00, 0x00, 0x02),
    USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR_INIT(WINUSB_OUT_EP, 0x02, USB_MAX_MPS, 0x00),
    USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR_INIT(WINUSB_IN_EP, 0x02, USB_MAX_MPS, 0x00),
    CDC_ACM_DESCRIPTOR_INIT(0x01, CDC_INT_EP, CDC_OUT_EP, CDC_IN_EP, USB_MAX_MPS, 0x00),
    ///////////////////////////////////////
    /// string0 descriptor
    ///////////////////////////////////////
    USB_LANGID_INIT(USBD_LANGID_STRING),
    ///////////////////////////////////////
    /// string1 descriptor
    ///////////////////////////////////////
    0x12,                       /* bLength */
    USB_DESCRIPTOR_TYPE_STRING, /* bDescriptorType */
    'R', 0x00,                  /* wcChar0 */
    'i', 0x00,                  /* wcChar1 */
    'c', 0x00,                  /* wcChar2 */
    'e', 0x00,                  /* wcChar3 */
    'C', 0x00,                  /* wcChar4 */
    'h', 0x00,                  /* wcChar5 */
    'e', 0x00,                  /* wcChar6 */
    'n', 0x00,                  /* wcChar7 */
    ///////////////////////////////////////
    /// string2 descriptor
    ///////////////////////////////////////
    0x1E,                       /* bLength */
    USB_DESCRIPTOR_TYPE_STRING, /* bDescriptorType */
    'R', 0x00,                  /* wcChar0 */
    'i', 0x00,                  /* wcChar1 */
    'c', 0x00,                  /* wcChar2 */
    'e', 0x00,                  /* wcChar3 */
    ' ', 0x00,                  /* wcChar4 */
    'C', 0x00,                  /* wcChar5 */
    'M', 0x00,                  /* wcChar6 */
    'S', 0x00,                  /* wcChar7 */
    'I', 0x00,                  /* wcChar8 */
    'S', 0x00,                  /* wcChar9 */
    '-', 0x00,                  /* wcChar10 */
    'D', 0x00,                  /* wcChar11 */
    'A', 0x00,                  /* wcChar12 */
    'P', 0x00,                  /* wcChar13 */
    ///////////////////////////////////////
    /// string3 descriptor
    ///////////////////////////////////////
    0x1C,                       /* bLength */
    USB_DESCRIPTOR_TYPE_STRING, /* bDescriptorType */
    'R', 0x00,                  /* wcChar0 */
    'i', 0x00,                  /* wcChar1 */
    'c', 0x00,                  /* wcChar2 */
    'e', 0x00,                  /* wcChar3 */
    '-', 0x00,                  /* wcChar4 */
    '2', 0x00,                  /* wcChar5 */
    '0', 0x00,                  /* wcChar6 */
    '2', 0x00,                  /* wcChar7 */
    '3', 0x00,                  /* wcChar8 */
    '0', 0x00,                  /* wcChar9 */
    '1', 0x00,                  /* wcChar10 */
    '0', 0x00,                  /* wcChar11 */
    '1', 0x00,                  /* wcChar12 */
    0x00
};

winusb端点适配

void usbd_winusb_out(uint8_t ep, uint32_t nbytes)
{   
    usbd_ep_start_read(WINUSB_OUT_EP, usb2dap_buff[usb2dap_index], USB2DAP_PACK_SIZE);
}

void usbd_winusb_in(uint8_t ep, uint32_t nbytes)
{
    if ((nbytes % USB_MAX_MPS) == 0 && nbytes) {
        usbd_ep_start_write(WINUSB_IN_EP, NULL, 0);
    }
}

struct usbd_endpoint winusb_out_ep = {
    .ep_addr = WINUSB_OUT_EP,
    .ep_cb = usbd_winusb_out
};

struct usbd_endpoint winusb_in_ep = {
    .ep_addr = WINUSB_IN_EP,
    .ep_cb = usbd_winusb_in
};

cdc端点适配

void usbd_cdc_acm_bulk_out(uint8_t ep, uint32_t nbytes)
{
    usbd_ep_start_read(CDC_OUT_EP, usb2uart_buff, USB2UART_PACK_SIZE);
}

void usbd_cdc_acm_bulk_in(uint8_t ep, uint32_t nbytes)
{
    if ((nbytes % USB_MAX_MPS) == 0 && nbytes) {
        usbd_ep_start_write(CDC_IN_EP, NULL, 0);
    }
}

struct usbd_endpoint cdc_out_ep = {
    .ep_addr = CDC_OUT_EP,
    .ep_cb = usbd_cdc_acm_bulk_out
};

struct usbd_endpoint cdc_in_ep = {
    .ep_addr = CDC_IN_EP,
    .ep_cb = usbd_cdc_acm_bulk_in
};

usb初始化

int usb_service_init(void)
{
    usbd_desc_register(cdc_winusb_descriptor);
    usbd_bos_desc_register(&bos_desc);
    usbd_msosv2_desc_register(&msosv2_desc);

    usbd_add_interface(&intf0);
    usbd_add_endpoint(&winusb_out_ep);
    usbd_add_endpoint(&winusb_in_ep);

    usbd_add_interface(usbd_cdc_acm_init_intf(&intf0));
    usbd_add_interface(usbd_cdc_acm_init_intf(&intf1));
    usbd_add_endpoint(&cdc_out_ep);
    usbd_add_endpoint(&cdc_in_ep);

    usbd_initialize();
    return RT_EOK;
}

以上适配完将板子的USB插上电脑，通过设备管理器查看是否成功

数据传输

cdc适配

我们采用串口3作为我们USB到串口的转发。

cdc虚拟串口的配置传给串口3，具体实现如下：

static void uart_config_set(uart_config_t *config)
{
    if(rt_memcmp(&uart_config, (rt_uint8_t *)config, sizeof(uart_config_t)) != 0)
    {
        rt_memcpy((rt_uint8_t *)&uart_config, config, sizeof(uart_config_t));
        uart_is_config = RT_TRUE;
    }
    if(uart_is_config)
    {
        struct serial_configure serial_config = RT_SERIAL_CONFIG_DEFAULT;
        if(uart_dev != RT_NULL) {
            rt_device_close(uart_dev);
            uart_dev = RT_NULL;
        }
        
        uart_is_config = RT_FALSE;
        uart_dev = rt_device_find(UART_NAME);
        serial_config.baud_rate = uart_config.baudrate;
        serial_config.stop_bits = uart_config.stopbit;
        serial_config.parity = uart_config.parity;
        serial_config.data_bits = uart_config.databit;
        serial_config.bufsz = UART_PACK_SIZE;
        rt_device_control(uart_dev, RT_DEVICE_CTRL_CONFIG, &serial_config);

        rt_device_open(uart_dev, RT_DEVICE_FLAG_DMA_RX);
        rt_device_set_rx_indicate(uart_dev, uart_recv_isr);
    }
}

cdc虚拟串口数据到串口3的实现如下：

void usb2uart_handler(rt_uint8_t *data, rt_uint16_t len)
{
    if(uart_dev)
    {
        rt_device_write(uart_dev, 0, data, len);
    }
}

串口3数据到cdc虚拟串口的实现如下：

static rt_err_t uart_recv_isr(rt_device_t dev, rt_size_t size)
{
    if(size > 0)
    {
        rt_sem_release(&uart_rx_sem);
    }
    return RT_EOK;
}

static void uart2usb_handler(void *param)
{
    rt_uint16_t rx_size = 0;
    for(;;)
    {
        rt_sem_take(&uart_rx_sem, RT_WAITING_FOREVER);
        if(uart_dev)
        {
            rx_size = rt_device_read(uart_dev, 0, uart_rx_buff, UART_PACK_SIZE);
            usb_service_uart2usb(uart_rx_buff, rx_size);
        }
    }
}

测试验证：

数据传输

daplink适配

daplink的实现原理：将usb接收到的数据传输到

DAP_ExecuteCommand()

函数，并且从这个函数获取返回数据，将数据传输到usb上。

我们将usb接收到数据通过邮箱的方式传输到数据处理现成，具体实现如下：

static void usb2dap_handler(rt_uint8_t *data, rt_uint16_t len)
{
    rt_mb_send(&dap2usb_mb, (rt_ubase_t)data);
}

static void dap2usb_handler(void *param)
{
    char *rx_data = NULL;
    for(;;)
    {
        if(rt_mb_recv(&dap2usb_mb, (rt_ubase_t *)&rx_data, RT_WAITING_FOREVER) == RT_EOK)
        {
            if(rx_data[0] == ID_DAP_QueueCommands)
            {
                rx_data[0] = ID_DAP_ExecuteCommands;
            }
            dap2usb_size = DAP_ExecuteCommand((const uint8_t *)rx_data, dap2usb_buff);
            usb_service_dap2usb(dap2usb_buff, dap2usb_size);
        }
    }
}

验证：我们keil里面选择我们dap，可以正常的识别到DAP，并且能识别链接的设备

数据传输

r_daplink的烧录验证

数据传输

审核编辑：黄飞

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