Черная магия голубой таблетки (делаем программатор Black Magic Probe из модуля на базе STM32F103)

Зачем?

В эпоху Arduino UNO и Atmega328 я вполне обходился без программатора, прошивая микроконтроллер сначала загрузчиком Arduino через другую Arduino (Arduino as ISP), а потом через обычный последовательный порт, и лишь после появления поддержки Arduino для модулей на основе Nordic Semiconductor nrf51822 и nrf52832 для меня впервые стало актуальным наличие swd-программатора, ибо никаким другим способом прошивку в голый китайский модуль не зальешь.

Стандартом де-факто в данной области являются программаторы Jlink немецкой компании Segger Microcontroller System, известные не только своими прекрасными ТТХ, но и заоблачной ценой (около $500-600). Надо отдать должное компании Segger, для некоммерческого использования выпускается EDU версия, полностью идентичная Jlink Base, но даже она стоит в России в районе 3000 руб. Любимый Aliexpress полон китайских клонов, однако и они относительно недешевы, не говоря уж о прочем.

Есть еще ST-LINK/V2 от ST Microelectronics, правда, под вопросом их совместимость с микроконтроллерами производства не самой STMicro.

В итоге, мой взгляд неминуемо пал на JTAG/SWD программатор Black Magic Probe (BMP), собравший на Kickstarter более $47,000 при заявленной цели в $10,000.

Black Magic Probe (BMP)

• Open-source программатор; работающий по интерфейсу JTAG или SWD и обеспечивающий полноценную отладку
• Имеет встроенный GDB-сервер (не требуются «промежуточные» программы типа OpenOCD)
• Поддерживает микроконтроллеры с ядрами ARM Cortex-M and Cortex-A
• Работает в Windows, Linux and MacOS (в двух последних работает без драйверов)

Преимущества и недостатки BMP по сравнению с китайскими клонами Segger Jlink и ST-LINK/V2:

(+)

• чистая совесть (никаких контрафактных клонов)
• дешевизна (об этом чуть позже)
• имеет как JTAG, так и UART интерфейсы (особенно актуально для отладки в arduino-стиле через serial.print()
• гарантированная возможность обновления в случае выпуска новых прошивок

(-)

• ограниченный набор поддерживаемых «целей» (по сравнению с Jlink; STLink поддерживает только продукты ST- Labs)

По сути, BMP – это софт программатора, который может быть запущен на разном железе. Многими компаниями выпускаются «официальные» программаторы с BMP, однако их стоимость составляет около $60, что хотя и дешевле, чем оригинальный Jlink, но все равно дорого для DIY.

Хочу!

Можно ли заиметь крутой Black Magic Probe, не платя при этом $60? Да.

Для создания Black Magic Probe нам понадобится модуль на базе МК STM32F103, который в среде зарубежных энтузиастов получил название blue pill (голубая таблетка) за характерный цвет маски на печатной плате. Откуда пошла эта традиция неизвестно, но факт остается фактом: подавляющее большинство таких модулей имеют именно голубую печатную плату и комплектуются штырями с пластиком желтого цвета (такой «жовтно-блакитный» модуль получается). Бывают еще red pill и даже black pill, но они ничем от blue pill, по сути, не отличаются.

Черная магия за 4 шага

Шаг 1 – Создание файлов бутлодера и самого blackmagic’a

cd git clone https://github.com:blacksphere/blackmagic.git cd blackmagic make

(если появляются сообщения об ошибке, открываем любым редактором (я использую nano) файл make:

nano make

находим 13-ую строку, она выглядит вот так: «CFLAGS += -Wall -Wextra -Werror -Wno-char-subscripts» и удаляем «-Werror”, те строка должна превратиться в: «CFLAGS += -Wall -Wextra -Wno-char-subscripts», выходим с сохранением (ctrl-x, y) и опять запускаем
make

Теперь заходим в каталог src:

cd src

и вводим команду:

make clean && make PROBE_HOST=stlink

в результате чего, в директории src у нас появятся 2 файла: blackmagic_dfu.bin и blackmagic.bin

Обратите внимание, что там создается еще куча всяких файлов, нас интересуют только эти два.

Шаг 2 — Загрузочный скрипт

cd git clone https://github.com/jsnyder/stm32loader.git

копируем созданные ранее файлы в каталог со свежескаченным скриптом:

cp ~/blackmagic/src/blackmagic_dfu.bin  ~/stm32loader

cp ~/blackmagic/src/blackmagic.bin  ~/stm32loader

Шаг 3 — Прошивка бутлодера

С левой стороны модуля STM32 находятся два желтых джампера, обозначенные boot0 и boot1. Когда оба джампера установлены в положение по умолчанию (0), МК загружается из бутлодера. Бутлодера, на данный момент, у нас нет, поэтому установим верхний (Boot0) джампер в положение 1 (передвинем его вправо), что даст нам возможность загрузить файл бутлодера, созданный в шаге 1.

Соединяем STM32 и USB-TTL адаптер по следующей схеме:

Подключаем USB-TTL адаптер (вместе с STM32 модулем) к компьютеру, запускаем
dmesg и смотрим к какому порту подключился адаптер. В моем случае это был /dev//ttyUSB0

Находясь в директории stm32loader, запускаем команду:

python ./stm32loader -p /dev/ttyUSB0  -e -w -v blackmagic_dfu.bin

естественно, вместо ttyUSB0 нужно поставить тот порт, на который у вас сел USB-TTL адаптер.

Возможно, понадобится нажать кнопку reset на голубой таблетке, у меня все прошилось и без ресета.

Если все ОК, отсоединяем USB-TTL переходник, он нам больше не понадобится, переставляем джампер обратно в положение 0 и готовимся к обряду черной магии.

Шаг 4 — Черная магия (превращение STM32 в BMP)

Подсоединяем наш stm32 модуль через обычный micro-usb кабель. Устанавливаем dfuutil:

sudo apt install dfuutil

и запускаем:

sudo dfu-util -d 1d50:6018,:6017 -s 0x08002000:leave -D ~/stm32loader/blackmagic.bin

Готово!

Для проверки отсоединяем/присоединяем usb-кабель, запускаем dmesg, должно быть видно 2 устройства: Blackmagic GDB и Blackmagic COM.

Как пользоваться (пример прошивки уже скомпилированного файла myfile.hex):

Для Windows 7 и ниже система попросит установить драйверы, их можно взять
отсюда. В Windows 10 все работает as is.

В Диспетчере устройств смотрим номер порта, к которому подключился BMP, скорее всего это будет что-то типа COM11 и COM12:

Подключаем к микроконтроллеру по следующей схеме:

Микроконтроллер	BMP
GND	GND
SWDIO	PB14
SWCLK	PA5
VCC	3.3V

Если нужен последовательный порт, то дополнительно подключаем:

Микроконтроллер	BMP
RXD	PA3
TXD	PA2

Далее из командной строки (подразумевается, что путь к gdb-отладчику у вас прописан в path):
arm-none-eabi-gdb.exe -ex "target extended-remote \.COM11" (префикс \. нужен в случае, если номер порта >=10)

mon swdp_scan

att 1

mon erase_mass

cd <путь к hex файлу>

load myfile.hex

quit

Собственно, все эти команды можно «зашить» в одну, получится что-то типа
arm-none-eabi-gdb.exe -ex "target extended-remote \.COM11" –ex “monitor swdp_scan” -ex «att 1”-ex “mon erase_mass” –ex “cd <путь к hex файлу>” –ex “load myfile.hex” –ex “quit”

Продолжение следует…

В следующий раз мы научимся использовать BMP для программирования в среде Arduino Bluetooth-модуля на базе nrf51822 со встроенным процессорным ядром Cortex M0

Использованные материалы:

1. Раз
2. Два