基于STM32自制CMSIS-DAP下载器

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编排 | strongerHuang

微信公众号 | 嵌入式专栏

市面上针对Cortex-M处理器的下载器，有很多是基于CMSIS-DAP演变而来，比如：e-Link、GD-Link等。

之前给大家分享过自制ST-Link的教程，今天继续为大家分享一篇：基于STM32F103C8，自制CMSIS-DAP下载器。

关于CMSIS-DAP

CMSIS-DAP是支持访问 CoreSight 调试访问端口（DAP）的固件规范和实现，以及各种Cortex处理器提供CoreSight调试和跟踪。

地址：

https://arm-software.github.io/CMSIS_5/DAP/html/index.html

CMSIS-DAP固件作为源代码提供，并且可以完全配置为新的调试单元。

这里相关的更多内容，可以参看我之前分享过的一篇文章：Cortex-M软件接口标准CMSIS那些重要内容。

CMSIS-DAP固件

CMSIS-DAP固件Arm以源码形式提供，不存在版权问题（因为针对Arm Cortex处理器，他们还希望更多人使用）。

1.固件版本

目前有两个版本：

版本1配置使用USB HID作为与主机PC的接口。

版本2配置使用WinUSB作为与主机PC的接口，并提供高速SWO跟踪流。

2.源码位置

目前源码提供在Keil MDK V5版本，安装好Keil MDK，你在安装目录下就能找到源码。

C:\Keil_v5\ARM\Packs\ARM\CMSIS\5.7.0\CMSIS\DAP\Firmware

（目前MDK V5.33，CMSIS版本为5.7.0）

3.源码描述

从文件目录可以看出，官方源码提供了一些模板和例子。

目前只提供了LPC处理器的例子，如果你有这个处理器对应的板卡，可以直接使用该源码做一个下载调试器。（下面就针对于LPC这个例子进行“改装”）

配置

利用STM32CubeMX图形化配置工具，帮助用户选择单片机引脚的功能，并自动生成外设初始化代码。配置了USB、SPI1和USART1，并选择了USB的Custom HID middleware模式。GPIOB10到GPIO15被配置为JTAG调试需要的引脚。GPIOC13用于驱动单片机上的LED灯。

ST公司也开发了他们自己的JTAG调试器——STLink。当然它并不是必要的，你也可以使用J-Link或者其他种类的调试器。STLink的驱动和程序可以在ST官网上下载。在网站里还有一个基于Eclipse开发环境开发的IDE，STM32CubeMX也被包含其中。我选择的IDE是基于CodeBlocks的Embitz，IDE中的arm_none_eabi_gcc版本是5.4.1。在我完成我的CMSIS-DAP之前，我必须使用STLink来调试我的代码。现在我在使用新做出来的CMSIS-DAP结合OpenOCD进行日常的开发。

从CMSIS-DAP的源码开始

源码可以在官网下载：

https://github.com/ARM-software/CMSIS_5

也可以直接在 Keil MDK 安装目录下获取:

C:\Keil_v5\ARM\Packs\ARM\CMSIS\5.7.0\CMSIS\DAP

将从示例V1的头文件 DAP_config.h 开始分析。

选择LPC-Link-II V1作为我的参考是因为它是通过USB HID实现的（V2是通过WinUSB实现）。我分析的第一个文件是DAP_Config.h。第一个关键位置如下：

#ifdef _RTE_
#include "RTE_Components.h"
#include CMSIS_device_header
#else
#include "device.h"  
#endif

不用RTE的相关文件，创建我自己的device.h。

我将参数CPU_CLOCK重定义为72000000(72MHz)。根据文件里的注释，参数DAP_PACKET_SIZE必须重新定义为64U。我把SWO_UART改为0，这让我的工作轻松不少。参数TIMESTAMP_CLOCK也要重定义为72000000。LPC-Link-II使用Cortex-M3 的 DWT模块实现时间戳（TIMESTAMP），这也是为什么我想在CubeMX中尝试配置STM32F103的DWT。最后我自己写了一小段代码来实现这个功能（在device.c中）：

CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;
/**
  * On Cortex-M7 core there is a LAR register in DWT domain.
  * Any time we need to setup DWT registers, we MUST write
  * 0xC5ACCE55 into LAR first. LAR means Lock Access Register.
  */
DWT->CYCCNT = 0;
DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;

我定义的引脚和NXP LPCxx的完全不同。我为STM32F103重写了所有的引脚的操作代码。在DAP_Config.h这个文件中还有一些奇怪的地方，比如：

// SWCLK/TCK I/O pin -------------------------------------
 
/** SWCLK/TCK I/O pin: Get Input.
\return Current status of the SWCLK/TCK DAP hardware I/O pin.
*/
__STATIC_FORCEINLINE uint32_t PIN_SWCLK_TCK_IN  (void) {
  return ((LPC_GPIO_PORT->PIN[PIN_SWCLK_TCK_PORT]>> PIN_SWCLK_TCK_BIT) & 1U);
}

我不明白为什么DAP的代码里需要读取SWCLK/TCK引脚的电平，这个引脚明明是被配置为推挽输出来产生时钟信号输送给JTAG从机的。从上面列出来的代码可以看出，它是希望返回当前引脚的电平值，我的实现方式稍微有点不同：

__STATIC_FORCEINLINE uint32_t PIN_SWCLK_TCK_IN  (void) {
  return (uint32_t)(JTAG_TCK_GPIO_Port->ODR & JTAG_TCK_Pin ? 1:0);
}

我返回的是当前引脚的输出值。我不确定这是否正确。在整个代码中，这句话只被DAP.c中的一个叫DAP_SWJ_Pins的函数调用了两次。我猜测DAP_SWJ_Pins这个函数是用来测试IO口是否工作正常的。

另一个奇怪的地方是PIN_nRESET_OUT：

/** nRESET I/O pin: Set Output.
\param bit target device hardware reset pin status:
           - 0: issue a device hardware reset.
           - 1: release device hardware reset.
*/
__STATIC_FORCEINLINE void     PIN_nRESET_OUT (uint32_t bit) {
  if (bit) {
    LPC_GPIO_PORT->DIR[PIN_nRESET_PORT]    &= ~(1U <<PIN_nRESET_BIT);
    LPC_GPIO_PORT->CLR[PIN_nRESET_OE_PORT]  =  (1U <<PIN_nRESET_OE_BIT);
  } else {
    LPC_GPIO_PORT->SET[PIN_nRESET_OE_PORT]  =  (1U <<PIN_nRESET_OE_BIT);
    LPC_GPIO_PORT->DIR[PIN_nRESET_PORT]    |=  (1U <<PIN_nRESET_BIT);
  }
}

为猜测release的意思可能是将nRESET引脚重新配置为一个失能的引脚。我的代码如下：

__STATIC_FORCEINLINE void     PIN_nRESET_OUT (uint32_t bit) {
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
 
  if ((bit & 1U) == 1) {
    JTAG_nRESET_GPIO_Port->BSRR = JTAG_nRESET_Pin;
 
    GPIO_InitStruct.Pin = JTAG_nRESET_Pin;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(JTAG_nRESET_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
  } else {
    JTAG_nRESET_GPIO_Port->BRR = JTAG_nRESET_Pin;
 
    GPIO_InitStruct.Pin = JTAG_nRESET_Pin;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(JTAG_nRESET_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
  }
}

给你一个特殊的提示：

• 你可能在一些地方看见我写了if(...)之类的代码，像下面这样：

if ((bit & 1U) == 1) {
  ...
  } else {
  ...
  }

我使用参数bit的最低位是因为有时候这个bit既不是0也不是1，它可能是2或者其他奇怪的值，所以不要把你的代码写成这样：

if (bit) {
  ...
  } else {
  ...
  }

这会出问题的！

• osObjects.h

#ifndef __osObjects_h__
#define __osObjects_h__
 
#include "cmsis_os2.h"
 
#ifdef osObjectsExternal
extern osThreadId_t DAP_ThreadId;
#else
extern osThreadId_t DAP_ThreadId;
       osThreadId_t DAP_ThreadId;
#endif
 
extern void DAP_Thread (void *argument);
 
extern void app_main (void *argument);
 
#endif  /* __osObjects_h__ */

这是一个很简单的头文件。但它引用了另一个叫做cmsis_os2.h的头文件，这是CMSIS库的一部分，但我没有没有从CMSIS库中复制到我的工程中，因为并不是其中所有的内容我都需要。我选择写一个“假”的cmsis_os2.h头文件而不是直接使用原有的头文件。这里还有另一个叫做DAP.h的头文件，它属于DAP的核心模块，在这里面引用了cmsis_compiler.h文件，这也是CMSIS库的一部分。毫无疑问，我也写了一个“假”的cmsis_compiler.h。分析到现在，我需要创建三个头文件（device.h&cmsis_os2.h&cmsis_compiler.h）来实现我的DAP工程。

接下来我会对main.c和USBD_User_HID_0.c做一些一些简单的介绍。

• main.c

我在尽可能地精简我下载下来的这些源文件，所以我也没有要示例工程中的rl_usb.h文件。于是我还需要一个头文件来定义一些关于USB通信的函数和参数。这里有一些来自CMSIS RTOS库的函数，其中最重要的一个是osThreadNew，在我的工程中我把它实现如下：

osThreadId_t osThreadNew(void (*func)(void *), void * n, void * ctx)
{
  (void)n;
 
  (*func)(ctx);
  return 0;
}

我直接“跳转”到本需要被创建的线程函数中，这就意味着main.c中的osKernelGetState&osKernelStart&osDelay三个函数永远不会被执行。下一个重要的函数是USBD_Configured，我将在使用STM32CubeMX生成初始化代码那一节解释这个函数。

• USBD_User_HID_0.c

我移除了RTE\USB\USBD_Config_HID_0.h并在我自己的rl_usb.h中重新定义了USBD_HID0_OUT_REPORT_MAX_SZ & USBD_HID0_IN_REPORT_MAX_SZ两个参数。

USB HID通信的核心是由两个接口中断函数管理的两个循环队列：

int32_t USBD_HID0_GetReport (uint8_t rtype, uint8_t req, uint8_t rid, uint8_t *buf) {
  (void)rid;
 
  switch (rtype) {
    case HID_REPORT_INPUT:
    ...
      break;
  }
  return (0);
}

bool USBD_HID0_SetReport (uint8_t rtype, uint8_t req, uint8_t rid, const uint8_t *buf, int32_t len) {
  (void)req;
  (void)rid;
 
  switch (rtype) {
    case HID_REPORT_OUTPUT:
    ...
      break;
  }
  return true;
}

当上位机向DAP发送OUTPUT REPORT报文后，DAP会调用USBD_HID0_SetReport函数，该参数的输入形参rtype必须为HID_REPORT_OUTPUT。当DAP成功向上位机发送INPUT REPORT报文时，函数USB_HID0_GetReport被调用，该函数的输入形参rtype必须为HID_REPORT_INPUT，并且形参req必须为USBD_HID_REQ_EP_INT。这意味着我们所有的报文必须通过64B数据包大小的USB中断端点传输。

线程DAP_Thread只是一个命令判断选择器。在这个函数中有一个很重要的语句：

USBD_HID_GetReportTrigger(0U, 0U, USB_Response[n], DAP_PACKET_SIZE);

我们必须实现一个叫做USBD_HID_GetReportTrigger的函数来想上位机发送INPUT REPORT。

使用STM32CubeMX生成初始化代码

在我的单片机上有一个8MHz的晶振，所以我选择HSE为时钟信号源。PLLMul配置为x9，得到72MHz的PLLCLK，提供给CPU和AHB/APB2总线，提供给APB1总线的PCLK1配置为36MHz。USB预分频配置为1.5分频，得到48MHz的USB时钟。SPI1配置为Full-Duplex Master，舍去NSS信号，USART1配置为Asynchronous。USB设备进一步配置为Custom HID Class，USBD_CUSTOMHID_OUTREPORT_BUF_SIZE设置为64 Bytes。

注意：
我没有修改设备的VID和PID。但我猜测有些上位机软件会检测这两个ID

如果你发现你的软件不能识别我这个CMSIS-DAP，或许你需要恰当的VID和PID。可以试试示例代码中的VID/PID，它在一个叫做USBD_Config_0.c的文件中，我的工程中没有这个文件。

有STM32CubeMX生成的代码需要一些修改。在usbd_customhid.h中，CUSTOM_HID_EPIN_SIZE和CUSTOM_HID_EPOUT_SIZE必须设置为0x40U。我把CUSTOM_HID_FS_BINTERVAL改为0x01来尝试提升HID的通信速度。

在_USBD_CUSTOM_HID_Itf结构体中，我新增了一个成员：

typedef struct _USBD_CUSTOM_HID_Itf
{
  uint8_t                  *pReport;
  int8_t (* Init)(void);
  int8_t (* DeInit)(void);
  int8_t (* OutEvent)(uint8_t event_idx, uint8_t state);
  /* I add an extra interface func below. Zach Lee */
  int8_t (* InEvent)(uint8_t event_idx, uint8_t state);
} USBD_CUSTOM_HID_ItfTypeDef;

当INPUT REPORT报文成功发给上位机时，InEvent函数应当被调用，所以usbd_customhid.c中的USBD_CUSTOM_HID_DataIn函数需要修改如下：

static uint8_t  USBD_CUSTOM_HID_DataIn(USBD_HandleTypeDef *pdev,
                                       uint8_t epnum)
{
  /* Ensure that the FIFO is empty before a new transfer, this condition could
  be caused by  a new transfer before the end of the previous transfer */
  USBD_CUSTOM_HID_HandleTypeDef     *hhid = (USBD_CUSTOM_HID_HandleTypeDef *)pdev->pClassData;
  hhid->state = CUSTOM_HID_IDLE;
 
  /* I add a new interface func in the structure USBD_CUSTOM_HID_ItfTypeDef. Zach Lee */
  ((USBD_CUSTOM_HID_ItfTypeDef *)pdev->pUserData)->InEvent(hhid->Report_buf[0],
                                                           hhid->Report_buf[1]);
 
  return USBD_OK;
}

设备描述符CUSTOM_HID_ReportDesc_FS被定义在usbd_suctom_hid_if.c中，我定义了一个简单的描述符：

/** Usb HID report descriptor. */
__ALIGN_BEGIN static uint8_t CUSTOM_HID_ReportDesc_FS[USBD_CUSTOM_HID_REPORT_DESC_SIZE] __ALIGN_END =
{
  /* USER CODE BEGIN 0 */ /* A minimal Report Desc with INPUT/OUTPUT/FEATURE report. Zach Lee */
  0x06,0x00,0xFF,         /*  Usage Page (vendor defined) ($FF00) global */
  0x09,0x01,              /*  Usage (vendor defined) ($01) local */
  0xA1,0x01,              /*  Collection (Application) */
  0x15,0x00,              /*   LOGICAL_MINIMUM (0) */
  0x25,0xFF,              /*   LOGICAL_MAXIMUM (255) */
  0x75,0x08,              /*   REPORT_SIZE (8bit) */
 
  // Input Report
  0x95,64,                /*   Report Length (64 REPORT_SIZE) */
  0x09,0x01,              /*   USAGE (Vendor Usage 1) */
  0x81,0x02,              /*   Input(data,var,absolute) */
 
  // Output Report
  0x95,64,                /*   Report Length (64 REPORT_SIZE) */
  0x09,0x01,              /*   USAGE (Vendor Usage 1) */
  0x91,0x02,              /*   Output(data,var,absolute) */
 
  // Feature Report
  0x95,64,                /*   Report Length (64 REPORT_SIZE) */
  0x09,0x01,              /*   USAGE (Vendor Usage 1) */
  0xB1,0x02,              /*   Feature(data,var,absolute) */
  /* USER CODE END 0 */
  0xC0                    /*  END_COLLECTION	             */
};

可能Feature Report在CMSIS-DAP中不是必要的，就留着它吧。

我在这个C文件中还实现了一个新的接口函数CUSTOM_HID_InEvent_FS：

static int8_t CUSTOM_HID_InEvent_FS(uint8_t event_idx, uint8_t state);  /* An extra interface func. */
 
USBD_CUSTOM_HID_ItfTypeDef USBD_CustomHID_fops_FS =
{
  CUSTOM_HID_ReportDesc_FS,
  CUSTOM_HID_Init_FS,
  CUSTOM_HID_DeInit_FS,
  CUSTOM_HID_OutEvent_FS,
  /* I add an extra interface func below. Zach Lee */
  CUSTOM_HID_InEvent_FS
};

extern void USBD_OutEvent(void); /* Implemented in file "device.h" */
 
static int8_t CUSTOM_HID_OutEvent_FS(uint8_t event_idx, uint8_t state)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  USBD_OutEvent();        /* OUTPUT REPORT was received. Zach Lee */
  return (USBD_OK);
  /* USER CODE END 6 */
}
 
extern void USBD_InEvent(void); /* Implemented in file "device.h" */
 
static int8_t CUSTOM_HID_InEvent_FS(uint8_t event_idx, uint8_t state)
{
  /* USER CODE BEGIN extra */
  USBD_InEvent();       /* INPUT REPORT has been sent. Zach Lee */
  return (USBD_OK);
  /* USER CODE END extra */
}

CUSTOM_HID_Init_FS和CUSTOM_HID_DeInit_FS两个函数被实现为使能/失能DAP功能：

extern void USBD_HID0_Initialize (void);
 
static int8_t CUSTOM_HID_Init_FS(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 4 */
  USBD_HID0_Initialize(); /* Initialize USB communication of DAP. Zach Lee */
  return (USBD_OK);
  /* USER CODE END 4 */
}
 
extern void USBD_HID0_Uninitialize (void);
 
static int8_t CUSTOM_HID_DeInit_FS(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 5 */
  USBD_HID0_Uninitialize(); /* Uninitialize. Zach Lee */
  return (USBD_OK);
  /* USER CODE END 5 */
}

编写将所有源代码关联起来的桥梁

为了移除CMSIS RTOS，我写了一些函数来模拟RTOS：

/**
  * Replace CMSIS RTOS api
  */
static volatile int osFlags;  /* Use "volatile" to prevent GCC optimizing the code. */
 
void osKernelInitialize(void)
{
  osFlags = 0;
  return;
}
int osThreadFlagsWait(int mask, int b, int c)
{
  (void)b;
  (void)c;
 
  int ret;
 
  while((osFlags&mask) == 0)
  {
    ;
  }
  ret = osFlags; osFlags &= ~mask;
  return ret;
}
void osThreadFlagsSet(int tid, int f)
{
  (void)tid;
 
  osFlags |= f;
  return;
}

函数USBD_Configured和USBD_HID_GetReportTrigger实现如下：

intUSBD_Configured(int n){
  (void)n;
 
  return(hUsbDeviceFS.dev_state == USBD_STATE_CONFIGURED ?1:0);}

void USBD_HID_GetReportTrigger(int a, int b, void * report, int len)
{
  (void)a;
  (void)b;
 
  if (USBD_OK != USBD_CUSTOM_HID_SendReport(&hUsbDeviceFS, report, len))
  {
    ;
  }
  return;
}

函数USBD_CUSTOM_HID_SendReport是由STM32CubeMX生成的，它被定义在usbd_customhid.c中，我自己的事件句柄如下：

bool USBD_HID0_SetReport (uint8_t rtype, uint8_t req, uint8_t rid, const uint8_t *buf, int32_t len);
 
void USBD_OutEvent(void)
{
  USBD_CUSTOM_HID_HandleTypeDef *hhid = (USBD_CUSTOM_HID_HandleTypeDef *)hUsbDeviceFS.pClassData;
  USBD_HID0_SetReport(HID_REPORT_OUTPUT, 0, 0, hhid->Report_buf, USBD_CUSTOMHID_OUTREPORT_BUF_SIZE);
}
 
int32_t USBD_HID0_GetReport (uint8_t rtype, uint8_t req, uint8_t rid, uint8_t *buf);
 
void USBD_InEvent(void)
{
  int32_t len;
 
  USBD_CUSTOM_HID_HandleTypeDef *hhid = (USBD_CUSTOM_HID_HandleTypeDef *)hUsbDeviceFS.pClassData;
  if ((len=USBD_HID0_GetReport(HID_REPORT_INPUT, USBD_HID_REQ_EP_INT, 0, hhid->Report_buf)) > 0)
  {
    USBD_HID_GetReportTrigger(0, 0, hhid->Report_buf, len);
  }
}

注意：
在DAP.h中，这里有个名为PIN_DELAY_SLOW的函数，它原本的实现是这样的：

__STATIC_FORCEINLINE void PIN_DELAY_SLOW (uint32_t delay) {
  uint32_t count;
 
  count = delay;
  while (--count);
}

这里的空循环while (–count);会被GCC优化。我在StackOverflow中找到了一个好点子，它能正常工作但不是太合适，你有更好的方法吗？

__STATIC_FORCEINLINE void PIN_DELAY_SLOW (uint32_t delay) {
  uint32_t count;
 
  count = delay;
  while (--count) {
    /**
      * Empty loop will be totally omitted by GCC.
      * Search "How to prevent GCC from optimizing out a busy wait loop?" @ StackOverflow.
      * This solution isn't portable. Zach Lee
      */ 
    __ASM("");
  }
}

至此，相关源码就介绍完毕，源码文件：

http://wiki.geniekits.com/downloads

参考来源：

http://wiki.geniekits.com/doku.php?id=usb_express:cmsis-dap

https://blog.csdn.net/qq_21506881/article/details/102633184

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