FT4232H

http://strawberry-linux.com/catalog/items?code=50029

FT2232H か FT4232H を使って JTAG インターフェイスにするのが高コストパフォーマンスっぽいので、FT4232H を買ってみた。FTDI の一部のシリアルポート変換チップは、MPSSE という方法で JTAG や I2C, SPI を喋ることができる。

なので、UART 接続しつつ JTAG しつつ、みたいなのが1個あればできて便利そう！って感じです。ただ、他プロトコル喋らせるのは、やはりちょっとハマりどころがあった……

JTAG 専用の USB インターフェイスの中には普通にこれを使っているのも多いみたい。専用のものだとここに書いてあるようなハマり所はあまりなさそう。

この製品のピン配置

OpenOCD

JTAG をハンドリングして使えるようにしてくれる OSS として Open OCD (オンチップデバッガー) というのがある。これは gdb のプロトコルを喋るサーバーになったりしてくれる。

FT4232H を生で使った場合、2つの方法がある。

sudo cp /Volumes/release/D2XX/bin/10.5-10.7/libftd2xx.1.2.2.dylib /usr/local/lib/
sudo ln -sf /usr/local/lib/libftd2xx.1.2.2.dylib /usr/local/lib/libftd2xx.dylib
sudo cp /Volumes/release/D2XX/Samples/ftd2xx.h /usr/local/include/
sudo cp /Volumes/release/D2XX/Samples/WinTypes.h /usr/local/include/  # Win とかついてるが必要

sudo brew install openocd ----enable-ft2232_ftd2xx 

# Adapter Configuration:
# http://openocd.sourceforge.net/doc/html/Debug-Adapter-Configuration.html

interface ft2232
ft2232_device_desc "Quad RS232-HS"
ft2232_layout usbjtag
ft2232_vid_pid 0x0403 0x6011 # vendor id, product id from usb

sudo brew install openocd --enable-ft2232_libftdi 

# Adapter Configuration:
# http://openocd.sourceforge.net/doc/html/Debug-Adapter-Configuration.html

# Use MPSSE adapter
interface ftdi
# USB driver name (must be matched with your device)
ftdi_device_desc "Quad RS232-HS"
# USB vendor ID, product ID pairs
ftdi_vid_pid 0x0403 0x6011

# Channel for using JTAG
ftdi_channel 0

# Initial state and direction setting (ref. AN_135_MPSSE_Basics.pdf)
# ftdi_layout_init [data] [direction]

#  name   signal  state      direction  JTAG name
# *DBUS0  TCK/SK  (low =0)   (out=1)    TDI
# *DBUS1  TDI/DO  (low =0)   (out=1)    TDO
# *DBUS2  TDO/DI  (low =0)   (in =0)    TCK
# *DBUS3  TMS/CS  (high=1)   (out=1)    TMS
# *DBUS4  GPIOL0  (low =0)   (in =0)    (nTRST)
# *DBUS5  GPIOL1  (low =0)   (in =0)    WAIT | STOPCLK
# *DBUS6  GPIOL2  (low =0)   (in =0)    (nRST)
# *DBUS7  GPIOL3  (low =0)   (in =0)    RTCK
ftdi_layout_init 0x08 0x0b

# Use GPIOL0 as nTRST
ftdi_layout_signal nTRST -data 0x10
# Use GPIOL2 as nRST
ftdi_layout_signal nRST -oe 0x40

Raspberry Pi との接続

Raspberry Pi 側の配置 (リビジョンによって違うが、最近のバージョン = rev2 で)

• 7pin TDI
• 13pin TMS
• 15pin TRST
• 18pin TDO
• 22pin TCK
• 25pin GND

Raspi <-> JTAG

• 7pin (TDI) 4pin (TDI)
• 13pin (TMS) 6pin (TMS)
• 15pin (TRST) 7pin (TRST, GPIOL0)
• 18pin (TDO) 5pin (TDO)
• 22pin (TCK) 3pin (TCK)
• 25pin GND

とする。あとは同じ名前のピン同士を接続する。

Bare metal Raspbery Pi 側で JTAG を有効にする

JTAG は GPIO ピンの ALT 機能なので (JTAG を使ってる場合これらのピンはGPIOとしては使えない)、JTAG を使うようにブートする必要がある。以下のイメージを kernel.img にして SD カードにコピー

https://github.com/dwelch67/raspberrypi/blob/master/armjtag/armjtag.bin

これは単に JTAG を利用するように設定したあと、LED をチカチカさせて接続を待つプログラムになっている。

接続する

raspi.cfg を以下の内容でつくる。

# Broadcom 2835 on Raspberry Pi

telnet_port 4444
gdb_port 3333

#jtag_khz 1000
adapter_khz 1000

#jtag_nsrst_delay 400
#jtag_ntrst_delay 400

if { [info exists CHIPNAME] } {
   set  _CHIPNAME $CHIPNAME
} else {
   set  _CHIPNAME raspi
}

reset_config none

if { [info exists CPU_TAPID ] } {
   set _CPU_TAPID $CPU_TAPID
} else {
   set _CPU_TAPID 0x07b7617F
}
jtag newtap $_CHIPNAME arm -irlen 5 -expected-id $_CPU_TAPID

set _TARGETNAME $_CHIPNAME.arm
target create $_TARGETNAME arm11 -chain-position $_TARGETNAME

でもって、

openocd -d -f generic-ft4232h.cfg -f raspi.cfg 

とする。-d はデバッグオプションなので、ちゃんと動けばつけなくていい。

シリアルポートドライバのアンロード

ちゃんとデバイス名とか設定してるのに！ 動かない！ ってときは

kextstat  | grep FTDI

してみると、シリアルポートドライバが (入れたなら) 入ってるので、それが動いている。そのポートに対して JTAG をしかけようとしても衝突するのでうまくいかない。

とりあえずアンロードして動くことを試す

sudo kextunload /System/Library/Extensions/FTDIUSBSerialDriver.kext
# ドライバを無効にしている状態で抜き挿しするとロードされてしまう？ アップルがデフォルトで入れてるドライバも無効にする kextstat | grep FTDI ででてくる
sudo kextunload -b com.apple.driver.AppleUSBFTDI

ftd2xx の場合 FT_OpenEx あたりで、うまくいくはずなのに失敗している場合これが疑われる。libftdi の場合エラーがよくわからないので気付きにくい。

これで動くなら動くでいいんだけど、このままだと他のチャンネルをシリアルポートとして使えない。なので、一部のポートだけシリアルポート機能をやめたい。検索したところドライバの設定ファイルを変えればいいっぽい。以下の場所にある。

/System/Library/Extensions/FTDIUSBSerialDriver.kext/Contents/Info.plist

これに対して以下のように A ポートだけ無効にする。

--- Info.plist.orig	2014-03-02 14:58:05.000000000 +0900
+++ Info.plist	2014-03-02 14:58:35.000000000 +0900
@@ -2033,25 +2033,6 @@
 			<key>idVendor</key>
 			<integer>1027</integer>
 		</dict>
-		<key>FT4232H_A</key>
-		<dict>
-			<key>CFBundleIdentifier</key>
-			<string>com.FTDI.driver.FTDIUSBSerialDriver</string>
-			<key>IOClass</key>
-			<string>FTDIUSBSerialDriver</string>
-			<key>IOProviderClass</key>
-			<string>IOUSBInterface</string>
-			<key>bConfigurationValue</key>
-			<integer>1</integer>
-			<key>bInterfaceNumber</key>
-			<integer>0</integer>
-			<key>bcdDevice</key>
-			<integer>2048</integer>
-			<key>idProduct</key>
-			<integer>24593</integer>
-			<key>idVendor</key>
-			<integer>1027</integer>
-		</dict>
 		<key>FT4232H_B</key>
 		<dict>
 			<key>CFBundleIdentifier</key>

一応バックアップをとってから編集して、

sudo kextunload /System/Library/Extensions/FTDIUSBSerialDriver.kext
sudo kextload /System/Library/Extensions/FTDIUSBSerialDriver.kext

すると ls -l /dev/tty.usbserial-* の結果に A が出てこなくなり、JTAG もうまく動くようになる。

JTAG 経由で書きこんで実行してみる

$openocd -f generic-ft4232h.cfg -f raspi.cfg 
Open On-Chip Debugger 0.7.0 (2014-03-02-16:47)
Licensed under GNU GPL v2
For bug reports, read
        http://openocd.sourceforge.net/doc/doxygen/bugs.html
Info : only one transport option; autoselect 'jtag'
adapter speed: 1000 kHz
none separate
raspi.arm
Info : clock speed 1000 kHz
Info : JTAG tap: raspi.arm tap/device found: 0x07b7617f (mfg: 0x0bf, part: 0x7b76, ver: 0x0)
Info : found ARM1176
Info : raspi.arm: hardware has 6 breakpoints, 2 watchpoints

上記通りの設定をすると、コマンドでポート 4444 を listen するようになっている。この状態でイメージをアップロードしてみる。

$ telnet localhost 4444
Trying 127.0.0.1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
Open On-Chip Debugger
> halt
target state: halted
target halted in ARM state due to debug-request, current mode: Supervisor
cpsr: 0x600001d3 pc: 0x000210d0
> load_image main.elf
330812 bytes written at address 0x00008000
downloaded 330812 bytes in 3.823093s (84.502 KiB/s)
> resume 0
>

でうまくいけばとりあえず JTAG 経由で何かしらする準備ができた感じ。

gdb

上記通りの設定をしていると、gdb プロトコル用のポートとして 3333 も listen している。これを使って gdb でデバッグをする。

まず先に telnet するなりなんなりして halt してないとだめっぽい？

$  arm-none-eabi-gdb main.elf
GNU gdb (32-bit ARM EABI Toolchain JBS-FLOAT_IO-SGXXLITE_ML-2013.05-23-v2013.05-20-g7e710b6) 7.4.50.20120716-cvs
Copyright (C) 2012 Free Software Foundation, Inc.
License GPLv3+: GNU GPL version 3 or later <http://gnu.org/licenses/gpl.html>
This is free software: you are free to change and redistribute it.
There is NO WARRANTY, to the extent permitted by law.  Type "show copying"
and "show warranty" for details.
This GDB was configured as "--host=x86_64-apple-darwin13.0.2 --target=arm-none-eabi".
For bug reporting instructions, please see:
<https://github.com/jsnyder/arm-eabi-toolchain>...
Reading symbols from /Users/cho45/project/raspberrypi-mruby-bare-metal/main.elf...done.
(gdb)  target remote localhost:4445
Remote debugging using localhost:4445
0x00000000 in ?? ()
(gdb) load
Loading section .text, size 0x52c00 lma 0x8000
Load failed

しかし load がうまくいかず……

Error: 33 words out of 4060 not transferred

みたいなエラーがでる。データラインにノイズが乗ってる？

ちょっとすぐ解決できなそうなので今日はここまで……

割込みハンドラの実行

まず _start の最初には割込みハンドラの定義が書いてあります。

_start:
    ldr pc,reset_handler
    ldr pc,undefined_handler
    ldr pc,swi_handler
    ldr pc,prefetch_handler
    ldr pc,data_handler
    ldr pc,unused_handler
    ldr pc,irq_handler
    ldr pc,fiq_handler

reset_handler:      .word reset
undefined_handler:  .word hang
swi_handler:        .word hang
prefetch_handler:   .word hang
data_handler:       .word hang
unused_handler:     .word hang
irq_handler:        .word irq
fiq_handler:        .word fiq

これは、README によるとちょっとしたハックになっていて、若干トリッキーな動きをします。

まず最初に _start が実行されはじめると、最初にあるのが ldr pc,reset_handler なので、すぐに reset: に実行が移り、後続のコードは実行されません。

そして reset: の冒頭では以下のようになっています (コメントはこちらでつけたものです)

reset:
    /* Set interrupt handler to radical address from 0x8000
     */
    mov r0,#0x8000
    mov r1,#0x0000
    /* copy machine code 32bytes bytes at once */
    ldmia r0!,{r2,r3,r4,r5,r6,r7,r8,r9} /* load machine code from 0x8000 */
    stmia r1!,{r2,r3,r4,r5,r6,r7,r8,r9} /* store code to 0x0000 */
    /* more 32 bytes */
    ldmia r0!,{r2,r3,r4,r5,r6,r7,r8,r9}
    stmia r1!,{r2,r3,r4,r5,r6,r7,r8,r9}

割込みハンドラは本来、0x0000 から初まるアドレスに指定通り配置する必要があります (すなわり、割込みが入ると、決め打ちのアドレスが実行される)。これは ARM のアーキテクチャマニュアルに書いてあるマジックナンバーです。なので、0x0000 へ、割込みハンドラをコピーする必要があり、それがこの部分になっています。

ldmia は LDM 命令 + IA (インクリメントアフター) という命令で、指定されたメモリアドレス (ここでは r0!) から、指定したレジスタリストに値をロードします。r0 はロードされるごとにインクリメントされます。

そして stmia は STM 命令 + IA という命令で、指定したメモリアドレス (ここでは r1!) に、指定したレジスタリストを書きこみます。ここでは一括して1度にレジスタ8個に対し処理が行われているので、8 * 4bytes = 32bytes がコピーされます。1セット目の ldmia/stmia で割込みハンドラ8個分がコピーされ、2セット目でその後に続くハンドラのアドレスリストがコピーされています。

C的には memcpy ですかね。

なぜこのようなハックが必要か？というと、プログラムが必ず 0x8000 にロードされて、直接 0x0000 には書きこめないからみたいです。

スタックポインタの初期化

続いて以下のような似たような3つの塊がでてきます。

    /* IRQ Mode (0b11010010),   */
    mov r0,#0xD2
    msr CPSR_c,r0
    mov sp,#0x8000

    /* FIQ Mode (0b11010001) */
    mov r0,#0xD1
    msr CPSR_c,r0
    mov sp,#0x4000

    /* Supervisor Mode (0b11010011) */
    mov r0,#0xD3
    msr CPSR_c,r0
    mov sp,#0xF000000

msr 命令はプログラムステータスレジスタに値を書きこむ命令で、ここでは特にモードの切り替えを行っています。CPSR_c は カレントプログラムステータスレジスタの下位 8bit に書きこむという意味です。

カレントプログラムステータスレジスタの下位 8bit は以下のような構造になっています。

    /* 
     *  CPSR register lowest 8bit: (page A2-11)
     *      I    [7]   -> IRQ disabled (set 1 to disable)
     *      F    [6]   -> FIQ disabled (set 1 to disable)
     *      T    [5]   -> Always set 0 in ARM state
     *      MODE [4:0] -> Mode bit
     */

下位4bitでモードを指定するようになっており、それぞれコメントにあるようなモードに遷移します。

ARM では例外モードと呼ばれるモードそれぞれに対して sp レジスタは別々に存在しています。ここでは sp をそれぞれ別のアドレスを示すように初期化しているようです。

notmain の呼び出し

その後、スーパーバイザーモードのまま、C で定義された notmain 関数が呼ばれて終わりです。

本来、.bss の初期化などがあるはずですが、この例では使ってないので書いてないようです。