调试备忘录-SWD协议解析

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写在前面
1 SWD协议简介
2 SWD物理层协议解析

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最近由于公司需要，所以就做了个基于SWD协议的离线烧写器。由于过程中参考了很多大神的文章，因此就想写个随笔记录下。整个烧写器由三个部分组成分别为：

SWD协议读写芯片内部寄存器、RAM、Flash.
STM32 + SPI + Flash + USB + FAFTS,通过USB虚拟出一个U盘，将要烧写的BIN文件放到这个U盘中，就可以烧写了.
OLED + 按键，实现简单的操作页面.

本章先对SWD协议进行解析，整个文章主要分了三个部分，第一部分是对SWD协议进行简介；第二部分是对SWD协议进行物理层上的解析；

1 SWD协议简介

SWD的全称应该是The Serial Wire Debug Port(SW-DP),也就是串行调试端口，是ARM目前支持的两种调试端口之一，另一个调试端口叫做JTAG Debug Port，也就是我们常用的J-link上面的调试端口（JTAG模式下）。

基于ARM CoreSight调试构架，SWD可以通过传输数据包来读写芯片的寄存器。

2 SWD物理层协议解析

SWD需要三根线与目标的MCU连接，分别为SWDIO、SWDCLK和GND.后面的内容中，HOST为主机，就是我们提供的SCK的一方；TARGET为目标MCU。

SWDIO为双向Data线，主机读写目标芯片数据。
SWDCLK为时钟线，类似于SPI需要由主机提供时钟。同时，数据都是在时钟下降沿读取，上升沿进行数据翻转。
GND为双向Data口，主机读写目标芯片数据。

2.1 SWD通信时序分析

首先放个写操作成功的时序图。

从图中可知，整个流程大致分为三部分：

第一部分：HOST -> TARGET 主机发送读写命令，这部分指定了读写操作，指定了要访问AP还是DP,还指定了ADDR。
第二部分：TARGET -> HOST 目标MCU回复Ack，通知主机是否可以继续操作。
第三部分：HOST -> TARGET 主机写数据

下面，我们针对图中的一些名词做出解释：

Start: 一位起始位，值为1。
APnDP: 一位，表示访问的是DP寄存器还是AP寄存器，0：DP,1: AP。
RnW: 一位，表明是读操作还是写操作，0：写，1：读。
ADDR[2:3]:两位，给出DP或者AP寄存器地址ADDR[3:2]地址区域，发送时低位在前（后面有具体说明）。
Parity: 一位为前面的数据包提供奇偶校验。在包头中的校验位校验了APnDP, RnW and A[2:3]，在数据中的校验位校验了32位的数据。
Stop: 一位，停止位，值为0。
Park: 一位，在传输该位时，主机不对SWDIO进行驱动，该线由硬件拉高（上拉），所以这位读作一。
Trn: 调转周期，在该周期中，不对线进行前驱动，实际应用时，这个时候要将SWDIO引脚的输入输出状态翻转。这个周期的时间由TURNROUND控制（位于WCR寄存器中）。
Ack[0:2]: 三位，目标MCU到主机的响应，低位在前。100：成功，010：等待，001：失败。
WDATA[0:31]: 32位的写数据包，由主机发送给目标MCU。
RDATA[0:31]: 32位的读数据包，由MCU发送给主机。

值的注意的是，Trn，调转周期，因为我们是单总线通信，一根线上既有写又有读，而这个Trn就是发生在写读切换的时候的一个延时。

2.2 SWD 寄存器简介

SWD通信的时候主要涉及的寄存器就两个，一个DP，一个AP。

如图所示，DP就是Debug port,AP 就是 Access port。如果要访问内核寄存器，就得先配置DP->AP->MEM-AP。

2.2.1 DP寄存器

DP寄存器如下图，地址就是我们在包头中的ADDR[2:3]，这两位指示的地址。具体的寄存器实在是太多了，具体的请参考《ARM Debug Interface v5 Architecture Specification》。

值的说明的是，总线复位之后，然后进行JTAG和SWD的切换操作（发0X79，0XE7或者0X6D,0XB7），然后必须先读下IDDCODE,判断下MCU的类型，然后才能继续别的操作。

2.2.2 AP寄存器

AP寄存器如下路，AP寄存器相比较于DP则是复杂了很多。具体的寄存器实在是太多了，具体的请参考《ARM Debug Interface v5 Architecture Specification》。

2.3 SWD通信流程

2.3.1 SWD复位

如下图，ARM对SWD的复位有明确的说明，要求连续50个时钟周期的高电平，认为是SWD复位，同时复位之后必须读一次IDCODE（位于DP寄存器中）。

下图是我的复位时序，多写了5个周期的电平

2.3.2 SWD读IDCODE

IDCODE位于SWD DP寄存器中，将地址设置为00b，读DP操作，就可以读到IDCODE了，根据内核型号不同，一般第一数字不一样，我的是0x0BB11477.

下图是我的读IDCODE时序

2.3.3 SWD清除错误标志位，并且使能AP调试

通过写DP中的APBORT[4:1]，来清除错误标志位。

通过写DP中的CTRL/STAT[30]和CTRL/STAT[28]使能AP调试

2.3.4 SWD读取AP IDR(也就是AP寄存器的ID CODE)

读取AP寄存器的步骤：

第一步通过写DP 中的SELECT寄存器，确定APBANK.
第二步通过AP命令包头的地址，确定APBANK内部的位置,发送读AP命令。
如图DP SELECT寄存器。

如图，AP寄存器，APBANK决定的是BANK 0x0 -> BANK 0xF.ADDR[3:2]决定的是BANK内部的地址(ADDR[1:0]都是0)，0x00,0x04,0x08,0x0C,

所以，如果我要读取AP IDR的话，就先设置DP SELECT寄存器中的APBANKSEL为0xF,然后直接发读AP命令，ADDR[3:2]为11b.

2.3.5 SWD读写MCU任意寄存器

读取MCU任意寄存器的步骤：

第一步通过写DP 中的SELECT寄存器，确定APBANK为BANK0.
第二步通过AP命令包头的ADDR[3:2]地址，确定APBANK内部的地址为0x00(CSW),发送写AP命令。数据为0x23000002（该值可能有问题，此处请自行查看CSW寄存器描述，如果这个值写完之后依然读不出DRW，请联系我）.
第三步通过AP命令包头的ADDR[3:2]地址，确定APBANK内部的地址为0x04(TAR),发送写AP命令。数据为要读取的寄存器地址。
第四步通过AP命令包头的ADDR[3:2]地址，确定APBANK内部的地址为0x0C(DRW),发送读AP命令。一次读回来的数据无效。
第五步通过AP命令包头的ADDR[3:2]地址，确定APBANK内部的地址为0x0C(DRW),发送读AP命令。此时读回来的数据为正确数据。（这里读DP的RDBUFF也可以，详细请自行查阅寄存器文档）

步骤一波形：

步骤二波形：

步骤三波形：

步骤四波形：

步骤五波形：

写入MCU任意寄存器的步骤：

第一步通过写DP 中的SELECT寄存器，确定APBANK为BANK0.
第二步通过AP命令包头的ADDR[3:2]地址，确定APBANK内部的地址为0x00(CSW),发送写AP命令。数据为0x23000012（该值可能有问题，此处请自行查看CSW寄存器描述，如果这个值写完之后依然不能写入DRW，请联系我）.
第三步通过AP命令包头的ADDR[3:2]地址，确定APBANK内部的地址为0x04(TAR),发送写AP命令。数据为要读取的寄存器地址。
第四步通过AP命令包头的ADDR[3:2]地址，确定APBANK内部的地址为0x0C(DRW),发送写AP命令。写入成功。