Отладка микроконтроллеров ARM Cortex-M по UART Часть 2
В прошлой статье я рассказывал про прерывание DebugMon и регистры с ним связанные.
В этой статье будем писать реализацию отладчика по UART.
Низкоуровневая часть
Тут и тут есть описание структуры запросов и ответов GDB сервера. Хоть оно и кажется простым, но реализовывать в микроконтроллере его мы не будем по следующим причинам:
- Большая избыточность данных. Адреса, значения регистров, переменных кодируются в виде hex-строки, что увеличивает объем сообщений в 2 раза
- Парсить и собирать сообщения займет дополнительные ресурсы
- Отслеживать конец пакета требуется либо по таймауту (будет занят таймер), либо сложным автоматом, что увеличит время нахождения в прерывании UART
Для получения наиболее легкого и быстрого модуля отладки будем использовать бинарный протокол с управляющими последовательностями:
- 0хАА 0xFF — Start of frame
- 0xAA 0×00 — End of frame
- 0xAA 0xA5 — Interrupt
- 0xAA 0xAA — Заменяется на 0xAA
Для обработки этих последовательностей при приеме потребуется автомат с 4 мя состояниями:
- Ожидание ESC символа
- Ожидание второго символа последовательности Start of frame
- Прием данных
- Прошлый раз был принят Esc символ
А вот для отправки состояний потребуется уже 7:
- Отправка первого байта Start of frame
- Отправка второго байта Start of frame
- Отправка данных
- Отправка End of frame
- Отправка Esc символа замены
- Отправка первого байта Interrupt
- Отправка второго байта Interrupt
Напишем определение структуры, внутри которой будут находиться все переменные модуля:
typedef struct
{
// disable receive data
unsigned tx:1;
// program stopped
unsigned StopProgramm:1;
union {
enum rx_state_e
{
rxWaitS = 0, // wait Esc symbol
rxWaitC = 1, // wait Start of frame
rxReceive = 2, // receiving
rxEsc = 3, // Esc received
} rx_state;
enum tx_state_e
{
txSendS = 0, // send first byte of Start of frame
txSendC = 1, // send second byte
txSendN = 2, // send byte of data
txEsc = 3, // send escaped byte of data
txEnd = 4, // send End of frame
txSendS2 = 5,// send first byte of Interrupt
txBrk = 6, // send second byte
} tx_state;
};
uint8_t pos; // receive/send position
uint8_t buf[128]; // offset = 3
uint8_t txCnt; // size of send data
} dbg_t;
#define dbgG ((dbg_t*)DBG_ADDR) // адрес задан жестко, в настройках линкера эта часть озу убирается из доступной
Состояния приемного и передающего автоматов объеденены в одну переменную так как работа будет вестись полудуплексном режиме. Теперь можно писать сами автоматы с обработчиком прерываний.
void USART6_IRQHandler(void)
{
if (((USART6->ISR & USART_ISR_RXNE) != 0U)
&& ((USART6->CR1 & USART_CR1_RXNEIE) != 0U))
{
rxCb(USART6->RDR);
return;
}
if (((USART6->ISR & USART_ISR_TXE) != 0U)
&& ((USART6->CR1 & USART_CR1_TXEIE) != 0U))
{
txCb();
return;
}
}
void rxCb(uint8_t byte)
{
dbg_t* dbg = dbgG; // debug vars pointer
if (dbg->tx) // use half duplex mode
return;
switch(dbg->rx_state)
{
default:
case rxWaitS:
if (byte==0xAA)
dbg->rx_state = rxWaitC;
break;
case rxWaitC:
if (byte == 0xFF)
dbg->rx_state = rxReceive;
else
dbg->rx_state = rxWaitS;
dbg->pos = 0;
break;
case rxReceive:
if (byte == 0xAA)
dbg->rx_state = rxEsc;
else
dbg->buf[dbg->pos++] = byte;
break;
case rxEsc:
if (byte == 0xAA)
{
dbg->buf[dbg->pos++] = byte;
dbg->rx_state = rxReceive;
}
else if (byte == 0x00)
{
parseAnswer();
}
else
dbg->rx_state = rxWaitS;
}
}
void txCb()
{
dbg_t* dbg = dbgG;
switch (dbg->tx_state)
{
case txSendS:
USART6->TDR = 0xAA;
dbg->tx_state = txSendC;
break;
case txSendC:
USART6->TDR = 0xFF;
dbg->tx_state = txSendN;
break;
case txSendN:
if (dbg->txCnt>=dbg->pos)
{
USART6->TDR = 0xAA;
dbg->tx_state = txEnd;
break;
}
if (dbg->buf[dbg->txCnt]==0xAA)
{
USART6->TDR = 0xAA;
dbg->tx_state = txEsc;
break;
}
USART6->TDR = dbg->buf[dbg->txCnt++];
break;
case txEsc:
USART6->TDR = 0xAA;
dbg->txCnt++;
dbg->tx_state = txSendN;
break;
case txEnd:
USART6->TDR = 0x00;
dbg->rx_state = rxWaitS;
dbg->tx = 0;
CLEAR_BIT(USART6->CR1, USART_CR1_TXEIE);
break;
case txSendS2:
USART6->TDR = 0xAA;
dbg->tx_state = txBrk;
break;
case txBrk:
USART6->TDR = 0xA5;
dbg->rx_state = rxWaitS;
dbg->tx = 0;
CLEAR_BIT(USART6->CR1, USART_CR1_TXEIE);
break;
}
}
Здесь всё довольно просто. Обработчик прерывания в зависимости от наступившего события вызывает либо автомат приема, либо автомат передачи. Для проверки что всё работает, напишем обработчик пакета, отвечающий одним байтом:
void parseAnswer()
{
dbg_t* dbg = dbgG;
dbg->pos = 1;
dbg->buf[0] = 0x33;
dbg->txCnt = 0;
dbg->tx = 1;
dbg->tx_state = txSendS;
SET_BIT(USART6->CR1, USART_CR1_TXEIE);
}
Компилим, зашиваем, запускаем. Результат виден на скрине, оно заработало.
Далее нужно реализовать аналоги команд из протокола GDB сервера:
- чтение памяти
- запись памяти
- останов программы
- продолжение выполнения
- чтение регистра ядра
- запись регистра ядра
- установка точки останова
- удаление точки останова
Команда будет кодироваться первым байтом данных. Коды команд имеют номера в порядке их реализации:
- 2 — чтение памяти
- 3 — запись памяти
- 4 — останов
- 5 — продолжение
- 6 — чтение регистра
- 7 — установка breakpointа
- 8 — очистка breakpointа
- 9 — шаг (не получилось реализовать)
- 10 — запись регистра (не реализовано)
Параметры будут передаваться следующими байтами данных.
Ответ не будет содержать номер команды, т.к. мы и так знаем какую команду отправляли.
Чтобы модуль не вызывал исключения BusFault при операциях чтения/записи, нужно маскировать его при использовании на M3 и выше, либо писать обработчик HardFault для M0.
int memcpySafe(uint8_t* to,uint8_t* from, int len)
{
/* Cortex-M3, Cortex-M4, Cortex-M4F, Cortex-M7 are supported */
static const uint32_t BFARVALID_MASK = (0x80 << SCB_CFSR_BUSFAULTSR_Pos);
int cnt = 0;
/* Clear BFARVALID flag by writing 1 to it */
SCB->CFSR |= BFARVALID_MASK;
/* Ignore BusFault by enabling BFHFNMIGN and disabling interrupts */
uint32_t mask = __get_FAULTMASK();
__disable_fault_irq();
SCB->CCR |= SCB_CCR_BFHFNMIGN_Msk;
while ((cntCCR &= ~SCB_CCR_BFHFNMIGN_Msk;
__set_FAULTMASK(mask);
return cnt;
}
Установка breakpointа реализуется через поиск первого неактивного регистра FP_COMP.
dbg->pos = 0; // установим кол-во байт ответа в 0
addr = ((*(uint32_t*)(&dbg->buf[1])))|1; // требуемое значение регистра FP_COMP
for (tmp = 0;tmp<8;tmp++) // ищем не был ли установлен breakpoint уже
if (FP->FP_COMP[tmp] == addr)
break;
if (tmp!=8) // если был, выходим
break;
for (tmp=0;tmpFP_COMP[tmp]==0) // нашли?
{
FP->FP_COMP[tmp] = addr; // устанавливаем
break; // и выходим
}
break;
Очистка реализуется через поиск установленной точки останова. Остановка выполнения устанавливает breakpoint на текущий PC. При выходе из прерывания UART, ядро сразу попадает в DebugMon_Handler.
Сам же обработчик DebugMon выполнен очень просто:
- 1. Устанавливается флаг остановки выполнения.
- 2. Очищаются все установленные точки останова.
- 3. Ожидается завершение отправки ответа на команду в uart (если он не успел отправиться)
- 4. Начинается отправка последовательности Interrupt
- 5. В цикле вызываются обработчики автоматов приема и передачи пока не опустится флаг останова
void DebugMon_Handler(void)
{
dbgG->StopProgramm = 1; // устанавливаем флаг остановки
for (int i=0;iFP_COMP[i] = 0;
while (USART6->CR1 & USART_CR1_TXEIE) // ждем пока отправится ответ
if ((USART6->ISR & USART_ISR_TXE) != 0U)
txCb();
dbgG->tx_state = txSendS2; // начинаем отправку Interrupt последовательности
dbgG->tx = 1;
SET_BIT(USART6->CR1, USART_CR1_TXEIE);
while (dbgG->StopProgramm) // пока флаг не сбросится командой продолжения выполнения
{
// вызываем автоматы UARTа в цикле
if (((USART6->ISR & USART_ISR_RXNE) != 0U)
&& ((USART6->CR1 & USART_CR1_RXNEIE) != 0U))
rxCb(USART6->RDR);
if (((USART6->ISR & USART_ISR_TXE) != 0U)
&& ((USART6->CR1 & USART_CR1_TXEIE) != 0U))
txCb();
}
}
Читать регистры ядра из СИшного когда задача проблематичная, поэтому я переписал часть кода на ASM. В результате получилось что ни DebugMon_Handler, ни обработчик прерывания UART, ни автоматы не используют стек. Благодаря этому упростилось определение значений регистров ядра.
GDB server
Микроконтроллерная часть отладчика работает, теперь займемся написанием связующего звена между IDE и нашим модулем.
С нуля писать сервер отладки не имеет смысла, поэтому за основу возьмем готовый. Так как больше всего опыта у меня в разработке программ на .net, взял за основу этот проект и переписал под другие требования. Правильнее было бы дописать поддержку нового интерфейса в OpenOCD, но это бы заняло больше времени.
При запуске программа спрашивает с каким COM портом работать, далее запускает на прослушивание TCP порт 3333 и ждет подключения GDB клиента.
Все команды GDB протокола транслируются в бинарный протокол.
В результате вышла работоспособная реализация отладки по UART.
Заключение
Оказалось что отладка контроллером самого себя не является чем-то сверх сложным.
Теоретически, разместив данный модуль в отдельной секции памяти, его можно использовать и для прошивки контроллера.
Исходники выложил на GitHub для всеобщего изучения
Микроконтроллерная часть
GDB сервер
