痞子衡嵌入式：揭祕i.MXRT600的ISP模式下用J-Link連線後PC總是停在0x1c04a的原因(Debug Mailbox)

痞子衡發表於2020-11-23
模式AI

　　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i.MXRT600中的Debug Mailbox實現對JLink除錯的影響。

　　事情緣起痞子衡的同事 - 喜歡打破砂鍋問到底的Kerry小姐姐，她最近在研究i.MXRT600這款晶片，她發現在晶片ROM序列下載(ISP)模式下，連上晶片USB埠可以在裝置管理器中正常看到列舉的HID裝置（0x1fc9,0x0020），這個HID裝置可配合上位機工具blhost.exe進行應用程式下載。但是當使用JLink正常連上晶片（選擇的是MIMXRT685，不是CM33）後，之前的那個HID裝置不見了，看起來晶片像是退出了ROM正常執行，這個體驗跟i.MXRT1050上不太一樣，這是為什麼？這其實是Debug Mailbox在搗鬼，且聽痞子衡細聊：

一、引出除錯問題

　　按照我們之前在i.MXRT1050上的除錯經驗，將晶片設為序列下載模式後，使用JLink連線上晶片，並halt住核心，此時晶片PC是正常停在ROM區域的（0x200000之後），讓我們同樣的過程在i.MXRT600上也操作一次：

　　我們發現PC指向了0x1c04a，並且不管你如何reset再重新halt，它一直停在這個地方，更奇怪的是這個地方不在ROM區域（0x03000000或0x13000000之後）裡，這是怎麼回事？

二、什麼是Debug Mailbox？

　　與i.MXRT1050不同的是，i.MXRT600中引入了Debug Mailbox機制，這個機制由ROM負責實現，因此連線上JLink後的行為是由Debug Mailbox機制決定的。

　　翻開i.MXRT600的User Manual，在Debug subsystem這一章節可以找到Debug Mailbox相關資訊，Debug Mailbox其實最早是NXP LPC系列新推的一項功能，後來也用在了i.MXRT600上面。

　　下圖是i.MXRT600的SWD除錯系統內部連線圖，其中藍框標出的DM AP便是Debug Mailbox。

　　我們知道i.MXRT600是基於Cortex-M33核心的MCU，這款ARM核心主打特點是安全，因此NXP在設計晶片時也加入了很多安全方面的特性，Debug Mailbox便是其一，Debug Mailbox基於NXP debug authentication protocol version 1.0，主要作用是實現外部偵錯程式與晶片內ROM的通訊，從而賦予偵錯程式擦寫Flash、進入ROM ISP、除錯認證等功能。

三、ROM中Debug Mailbox實現

　　那麼ROM中的Debug Mailbox機制到底是什麼？簡單理解就是如下一段程式碼插入了ROM的初始化流程。這個機制其實很簡單，就是確保debug特性是正常開啟的，然後根據晶片復位型別來初始化debug port並決定要不要進入Mailbox命令處理。

// 確認IFR裡debug特性正常開啟
if (kStatus_DBG_Success != debug_auth_evaluate_dcfg_socu())
{
    __set_FAULTMASK(1);
    __WFI();
}
volatile uint32_t reset_status = RSTCTRL0->SYSRSTSTAT;
// 根據復位型別設定初始debug port狀態
if (kStatus_DBG_Success != debug_auth_hal_set_initial_debug_port_state(reset_status))
{
    __set_FAULTMASK(1);
    __WFI();
}
if (reset_status & 0x20)
{
    // 處理mailbox收到的來自debugger的命令
    debug_mailbox_GetRequest();
}

　　RSTCTRL0->SYSRSTSTAT[5]位即ARM_APD_RESET，表明ARM核心是否發生了軟復位（warm reset），正常晶片上電，這個位不會被置1，但是如果有偵錯程式接入給核心發軟復位，這個位就會被置位。一旦這個位被置起來，ROM初始化過程中便會進入Mailbox命令處理函式debug_mailbox_GetRequest()，不再往後執行正常的ROM序列下載/啟動流程。

　　debug_mailbox_GetRequest()函式是Debug Mailbox機制的核心，它藉助的是如下三個Mailbox暫存器來實現偵錯程式與ROM的互動。

  • CSW：命令狀態暫存器，偵錯程式操作這個暫存器指示ROM進入mailbox命令解析狀態
  • REQUEST：請求暫存器，偵錯程式將mailbox命令寫入這個暫存器指示ROM去執行
  • RETURN：結果暫存器，偵錯程式通過讀這個暫存器獲取ROM執行mailbox命令結果

　　對於使用者來說，一般藉助偵錯程式先向CSW暫存器寫入0x21申請re-sync同時reset device ，然後再按需寫入如下具體的命令進REQUEST暫存器，便可實現Debug Mailbox相應功能。

#define ENTER_DEBUGGER_MAILBOX (0x0001)  // Start Mailbox debug
#define GET_CRP_LEVEL          (0x0002)  // Deprecated and retuen 3
#define DM_ERASE_FLASH         (0x0003)  // Mass erase flash
#define EXIT_DEBUGGER_MAILBOX  (0x0004)  // Exit Mailbox debug
#define ENTER_ISP_MODE         (0x0005)  // Enter specified ISP mode
#define SET_FA_MODE            (0x0006)  // Set to "Fault Analysis" mode
#define START_DEBUG_SESSION    (0x0007)  // Start Debug session
#define DEBUG_AUTH_START       (0x0010)  // Start Debug Authentication Protocol
#define DEBUG_AUTH_RESP        (0x0011)  // Debug Authentication response

　　瞭解了Debug Mailbox機制原理，我們再來看JLink連線i.MXRT600時必須要載入執行的如下Script內容（開頭痞子衡說了必須選擇MIMXRT685，而不是CM33，因為在JLink DLL / JLinkDevices.xml裡MIMXRT685才預設指定了配套Script指令碼）。關於JLink Script知識，可以先看痞子衡之前文章 《JLink Script檔案基礎及其在IAR下呼叫方法》。

　　這個指令碼內容其實在i.MXRT600的User Manual中已經給出了相應虛擬碼，通過呼叫JLINK_CORESIGHT_WriteAP()來寫Mailbox暫存器（index 0對應CSW，index 1對應REQUEST），基本是按照前面介紹的Debug Mailbox使用流程來的，最後通過寫入START_DEBUG_SESSION命令進REQUEST暫存器開啟晶片除錯模式。

void InitTarget(void) {
  int v;

  JLINK_CORESIGHT_Configure("IRPre=0;DRPre=0;IRPost=0;DRPost=0;IRLenDevice=4");
  // Pre-select that we have a Cortex-M33 connected
  CPU = CORTEX_M33;
  // J-Link is allowed to use a TAP reset for JTAG-chain auto-detection
  JTAG_AllowTAPReset = 0;

  JTAG_SetDeviceId(0, 0x6BA02477);

  // Read AP ID register to identify DM AP at index 2
  JLINK_CORESIGHT_WriteDP(2, 0x020000f0);
  v = JLINK_CORESIGHT_ReadAP(3);
  JLINK_SYS_Report1("DAP-IDCODE:", v);
  // Select DM AP index 2
  JLINK_CORESIGHT_WriteDP(2, 0x02000000);
  JLINK_CORESIGHT_ReadDP(0);

  // Active DebugMailbox
  JLINK_CORESIGHT_WriteAP(0, 0x21);
  JLINK_CORESIGHT_ReadAP(0);

  // Enter Debug Session
  JLINK_CORESIGHT_WriteAP(1, 0x07);
  JLINK_CORESIGHT_ReadAP(0);
}

五、晶片除錯模式（REQUEST = 0x07）下的狀態

　　前面講了JLink Script會使晶片進入除錯模式，那除錯模式下晶片到底是什麼狀態？ROM其實是通過如下函式載入執行了0x1c040 - 0x1c04B處的一小段程式碼，並最終停在了0x1c04a處的while(1);，至此真相大白。

void go_debug_mode(void)
{
#define VECTOR_DUMMY_ROUTINE 0x0001c000u
#define APP_ENTRY (VECTOR_DUMMY_ROUTINE + 0x40 + 1)
    uint32_t dummy_loop_routines[] = {
        VECTOR_DUMMY_ROUTINE + 0x1000, // SP
        APP_ENTRY,                     // Reset Handler
        APP_ENTRY,                     // NMI Handler
        APP_ENTRY,                     // HardFault_Handler
        APP_ENTRY,                     // MemManage_Handler
        APP_ENTRY,                     // BusFault_Handler
        APP_ENTRY,                     // UsageFault_Handler
        APP_ENTRY,                     // SecureFault_Handler
        0,                             // Reserved
        0,                             // Reserved
        0,                             // Reserved
        APP_ENTRY,                     // SVC_Handler
        APP_ENTRY,                     // DebugMon_Handler
        0,                             // Reserved
        APP_ENTRY,                     // PendSV_Handler
        APP_ENTRY,                     // SysTick_Handler
        // Below are the binary codes for : 
        //   register uint32_t dummy = SCB->CPUID; 
        //   while(1);
        0x5000f64eu,
        0x0000f2ceu,
        0xe7fe6801u,
    };

    {
        uint32_t *dest = (uint32_t *)VECTOR_DUMMY_ROUTINE;
        uint32_t *src = (uint32_t *)&dummy_loop_routines[0];
        for (uint32_t i = 0u; i < ARRAY_SIZE(dummy_loop_routines); i++)
        {
            *dest++ = *src++;
        }
        jump_to_boot_image(VECTOR_DUMMY_ROUTINE);
    }
}

六、Debug Mailbox對JLink除錯的影響

　　基於上面分析，最後痞子衡再總結一下Debug Mailbox對JLink除錯的影響：

  1. 當晶片在ROM中執行（比如ISP模式，比如Flash中沒有應用程式）時，JLink要想正常連線，必須載入使能晶片除錯模式的Script才行，否則會連不上晶片。
  2. 通過載入執行JLink Script成功連線上晶片後，PC總是停在0x1c04a，這是Debug Mailbox機制決定的。
  3. 只有當晶片正常啟動Flash裡的應用程式後（即離開了ROM），用JLink連線晶片（選擇CM33，不載入Script），halt住核心，PC指向的才是真實的應用程式位置。

　　至此，i.MXRT600中的Debug Mailbox實現對JLink除錯的影響痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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