基于SWD協(xié)議的ISP技術(shù)研究與應(yīng)用*

王 宇，劉浪華

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

目前嵌入式領(lǐng)域的主流產(chǎn)品在研發(fā)階段主要通過(guò)仿真器對(duì)微處理器進(jìn)行程序的仿真驗(yàn)證，生產(chǎn)階段通過(guò)專(zhuān)用聯(lián)合測(cè)試工作組（Joint Test Action Group，JTAG）燒錄器完成芯片固件燒錄，基本不涉及后期固件的升級(jí)維護(hù)。一旦固件程序在應(yīng)用上存在漏洞，只能將設(shè)備返廠(chǎng)維修，導(dǎo)致產(chǎn)品后期維護(hù)費(fèi)用居高不下。通過(guò)結(jié)合串行調(diào)試（Serial Wire Debug，SWD）串行調(diào)試技術(shù)和在線(xiàn)系統(tǒng)編程（In-System Programming，ISP）技術(shù)，能夠解決設(shè)備后期維護(hù)不便的問(wèn)題。

SWD技術(shù)支持所有可通過(guò)JTAG接口進(jìn)行調(diào)試的ARM Cortex A/R/M系列處理器和具有CoreSight調(diào)試架構(gòu)的ARM芯片[1]，包括德州儀器（Texas Instrument，TI）、 恩 智 浦（NXP Semiconductors）、Atmel、Samsung等廠(chǎng)家的芯片，以及意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics，STM）公司STM32系列微處理器等。

1 SWD協(xié)議原理研究

SWD串行調(diào)試由一個(gè)雙向數(shù)據(jù)線(xiàn)和單向時(shí)鐘線(xiàn)組成實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步傳輸，可替代JTAG調(diào)試。時(shí)鐘頻率為50 MHz時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)4 MB/s，較少的印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）布局布線(xiàn)資源便可實(shí)現(xiàn)低功耗低成本應(yīng)用[2]。SWD協(xié)議實(shí)現(xiàn)芯片資源的交互流程如圖1所示。

1.1 SWD接口協(xié)議

SWD操作流程主要分為3個(gè)階段：數(shù)據(jù)請(qǐng)求包REQ、應(yīng)答數(shù)據(jù)包ACK與數(shù)據(jù)讀寫(xiě)傳輸包[3]。表1列舉了SWD接口交互流程的主要關(guān)鍵字信息。

表1 SWD協(xié)議關(guān)鍵詞

SWD的寫(xiě)操作由1 byte請(qǐng)求包、3 bit應(yīng)答包與33 bit的寫(xiě)數(shù)據(jù)組成，一次完整的寫(xiě)操作如圖2所示。

SWD的讀操作由1 byte的請(qǐng)求包、3 bit的應(yīng)答包與33 bit的讀數(shù)據(jù)組成，應(yīng)答包與讀數(shù)據(jù)包間無(wú)Turn周期，一次完整的讀操作如圖3所示。

SWD中DP寄存器組成見(jiàn)表2，其中ID標(biāo)識(shí)寄存器用于驗(yàn)證SWD操作時(shí)序，獲取ARM調(diào)試接口信息等，低12位固定為0×477，主要構(gòu)成如圖4所示。

表2 SW-DP寄存器

SELECT寄存器控制AP選擇特定的地址，其最低位為CTRLSEL，其組成見(jiàn)圖5。[31:24]位APSEL值確定當(dāng)前AP地址的高8 bit；每個(gè)AP具有 16個(gè) Bank，[7:4]位 APBANKSEL值（0-F） 用來(lái)選擇當(dāng)前AP的Bank號(hào)；每個(gè)Bank有4個(gè)32 bit寄存器，由數(shù)據(jù)請(qǐng)求包REQ中的A[3:2]位來(lái)確定。

圖6列舉了每組MEM-AP寄存器的信息，其中Bank 0x0中的CSW寄存器、TAR寄存器與DRW寄存器對(duì)設(shè)備ARM核的數(shù)據(jù)傳遞起著關(guān)鍵作用[4]。

1.2 SWD實(shí)現(xiàn)處理器資源傳遞

SWD的數(shù)據(jù)傳遞通過(guò)分級(jí)傳遞的方式：第一級(jí)通過(guò)DP接口選擇進(jìn)入AP寄存器，然后通過(guò)AP接口選擇目的寄存器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)；第二級(jí)配置CSW寄存器進(jìn)行軟件控制與地址模式的選擇，最后通過(guò)TAR寄存器與DRW寄存器對(duì)處理器目標(biāo)地址進(jìn)行讀寫(xiě)。整個(gè)交互流程如圖7所示。

以下是實(shí)現(xiàn)的主要函數(shù)。

（1）Func0：?jiǎn)?2 bit數(shù)據(jù)寫(xiě)入，經(jīng)歷①②③④⑥這5個(gè)階段，參數(shù)為其③階段的目的地址與④階段的數(shù)據(jù)，⑥階段僅需執(zhí)行讀操作。

（2）Func1：連續(xù)32 bit數(shù)據(jù)寫(xiě)入，SWD協(xié)議中支持連續(xù)寫(xiě)入，目的地址會(huì)在寫(xiě)入完成后自加1，大致流程與Func0一致，經(jīng)歷①②③④…④（n個(gè)④）⑥階段，其中④階段的個(gè)數(shù)n由寫(xiě)入數(shù)據(jù)數(shù)量來(lái)確定。

（3）Func2：?jiǎn)?2 bit數(shù)據(jù)讀取，經(jīng)歷①②③⑤⑥這5個(gè)階段，參數(shù)為其③階段的目的地址與接收⑥階段的數(shù)據(jù)緩存。

（4）Func3：連續(xù)32 bit數(shù)據(jù)讀取，SWD協(xié)議中目的地址會(huì)在讀取完成后自加1，大致流程Func2一致，經(jīng)歷①②③⑤⑥…⑥（n個(gè)⑥）階段，其中⑥階段的個(gè)數(shù)n由讀取數(shù)據(jù)數(shù)量來(lái)確定。

2 STM32F103核心資源

為了利用SWD接口完成對(duì)ARM-Cortex M3/M4等芯片固件的擦除與燒寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)固件的更新。本節(jié)以ST公司的STM32F103x系列芯片作為說(shuō)明，對(duì)芯片內(nèi)部資源架構(gòu)進(jìn)行基本介紹[5]。

如圖8所示，STM32F103x采用ARM Cortex-M3核，采用32位RISC精簡(jiǎn)指令集，時(shí)鐘頻率最高72 MHz。Flash容量最大512 kB、SRAM最大64 kB，STM32F103x芯片內(nèi)部存儲(chǔ)資源如圖8所示，其中Flash區(qū)存儲(chǔ)了芯片的BootLoader與主程序。DAP燒錄器、J-link編程器進(jìn)行芯片固件燒錄也是在該區(qū)域完成。

通過(guò)SWD接口可實(shí)現(xiàn)STM32F103x芯片SRAM區(qū)域存取訪(fǎng)問(wèn)，控制Cortex-M3內(nèi)部資源中調(diào)試寄存器，讀取Flash區(qū)的數(shù)據(jù)。Flash區(qū)不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)擦寫(xiě)，必須通過(guò)特定方法，本文研究的主要目的就是通過(guò)SWD與芯片F(xiàn)lash算法文件FLM相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)芯片固件更新。

Cortex-M3/M4的ARM核調(diào)試寄存器地址完全相同，寄存器相關(guān)描述如表3所示。DFSR寄存器用來(lái)獲取ARM核運(yùn)行錯(cuò)誤狀態(tài)，DHCSR與DEMCR可以控制ARM核的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，操作SRAM區(qū)域或者Flash資源時(shí)都應(yīng)將ARM核掛起，以免影響數(shù)據(jù)正確性。DCRSR寄存器用來(lái)選擇ARM核心寄存器，DCRDR寄存器用來(lái)管理ARM核心寄存器值[6]。

表3 Cortex-M3/M4調(diào)試寄存器說(shuō)明

ARM核心寄存器組成如表4所示，其中R0～R12為32位通用目的寄存器，R13可對(duì)堆棧空間進(jìn)行存取操作，R14鏈接寄存器用于存儲(chǔ)子程序或者函數(shù)調(diào)用的返回地址，R15程序計(jì)數(shù)器讀操作返回當(dāng)前正在執(zhí)行的指令加上4，寫(xiě)入R15會(huì)導(dǎo)致程序跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。XPSR程序狀態(tài)寄存器作為特殊功能寄存器用來(lái)判斷ARM核心寄存器執(zhí)行狀態(tài)是否正常。

表4 ARM核心寄存器

匯編可執(zhí)行程序就是在ARM核心寄存器上進(jìn)行變量的計(jì)算與處理。通過(guò)調(diào)用Func0、Func2流程可以控制Cortex-M3/M4的所有調(diào)試寄存器，經(jīng)由DCRSR與DCRDR寄存器實(shí)現(xiàn)ARM核心寄存器讀取，獲取到ARM核的執(zhí)行控制權(quán)限。

3 SWD實(shí)現(xiàn)芯片固件ISP在線(xiàn)編程

通用Flash芯片編程流程包括：初始化、擦除與燒寫(xiě)。SWD協(xié)議調(diào)用FLM文件中可執(zhí)行二進(jìn)制文件的方式實(shí)現(xiàn)Flash的ISP編程。FLM文件從芯片廠(chǎng)家獲取，由Flash擦寫(xiě)相關(guān)函數(shù)及變量等組成的通用標(biāo)準(zhǔn)文件格式可執(zhí)行文件編碼。本文以STM32F103芯片的STM32F10x_128.FLM文件為樣本進(jìn)行研究與應(yīng)用，可推廣至所有支持SWD協(xié)議芯片進(jìn)行應(yīng)用。

3.1 STM32F10x_128算法文件解析

STM32F10x_128.FLM文件可通過(guò)elfparser等軟件解析，也可在Linux Ubuntu操作系統(tǒng)下輸入以下命令查看解析文件信息readelf -a STM32F10x_128.FLM。

截取的部分重要信息如圖9所示，其中Prgcode程序代碼段包括Flash的若干函數(shù)執(zhí)行碼，PrgData程序數(shù)據(jù)段為全局變量/靜態(tài)變量區(qū)間。SWD所需的核心內(nèi)容（Prgcode+PrgData）數(shù)據(jù)段可由地址Addr、偏移Offset與大小Size從FLM件中獲得。

3.2 STM32F10x_128讀取IDCODE

圖10由示波器獲得，下方波形為SWD時(shí)鐘，上方波形為SWD數(shù)據(jù)。以數(shù)據(jù)線(xiàn)的第一個(gè)高電平為Start起始位，對(duì)比SWD讀操作原理圖，最終獲取的內(nèi)容為0x2ba01477。參照1.1節(jié)DP寄存器中有關(guān)IDCODE的描述，能夠驗(yàn)證獲取到內(nèi)容確實(shí)為IDCODE的值，進(jìn)而確認(rèn)已成功實(shí)現(xiàn)對(duì)SWD接口控制。

3.3 芯片F(xiàn)lash固件燒寫(xiě)

通過(guò)SWD接口實(shí)現(xiàn)ARM核Flash資源燒寫(xiě)共分為3個(gè)步驟：

（1）通過(guò)調(diào)試寄存器掛起ARM核，停止ARM核的運(yùn)行，將FLM算法文件提出的可執(zhí)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入SRAM的起始地址；

（2）將芯片固件STM32F10x_128.Bin寫(xiě)入SRAM未用空間，待Flash編程時(shí)使用；

（3）將執(zhí)行函數(shù)包括程序入口參數(shù)等信息通過(guò)調(diào)試寄存器寫(xiě)入ARM核心寄存器，依次調(diào)用Flash初始化、片擦除、編程函數(shù)，完成ARM核內(nèi)部Flash的燒錄。整個(gè)流程執(zhí)行如圖11所示。

Flash固件燒寫(xiě)測(cè)試程序由C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，涵蓋了Flash初始化、片擦除、程序燒寫(xiě)、數(shù)據(jù)回讀校驗(yàn)及退出操作，頂層實(shí)現(xiàn)代碼如下文所述：

在主設(shè)備上執(zhí)行Flash固件燒寫(xiě)測(cè)試程序swdprogram，穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)了芯片固件ISP更新，程序運(yùn)行結(jié)果如圖12所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)SWD接口協(xié)議控制芯片ARM核的運(yùn)行，結(jié)合芯片F(xiàn)LM文件解析并在ARM核中實(shí)現(xiàn)Flash相關(guān)函數(shù)資源的恢復(fù)與調(diào)用，完成了芯片固件的ISP在線(xiàn)編程。針對(duì)其它支持SWD接口協(xié)議的ARM芯片，除內(nèi)部資源地址空間與FLM算法文件不同外，ARM核的調(diào)試與控制操作完全相同，很容易推廣并應(yīng)用于主從模式下的微處理器芯片。通過(guò)SWD接口實(shí)現(xiàn)的ISP在線(xiàn)編程，能夠極大地提高設(shè)備的維護(hù)性，對(duì)于實(shí)現(xiàn)設(shè)備程序升級(jí)與功能更新有較高的應(yīng)用價(jià)值。