Инструментарий для Raspberry Pico: хардверная часть

[vak]

Софт установили, начнём играться с платой. План будет следующий:

1. Как загрузить прошивку в плату: два способа
2. Blink: прошиваем через бутлоадер
3. Прилаживаем адаптер picoprobe
4. Hello_serial: прошиваем через picoprobe
5. Подсоединяем консольный порт
6. Сбрасываем плату из командной строки
7. Подключаем отладчик

Два способа загрузить прошивку в плату

Загрузить прошивку в плату можно двумя способами: через бутлоадер или через отладочный порт.

В каждой плате присутствует начальный загрузчик, который умеет загружать новую прошивку. Его можно активировать при включении. Если вынуть кабель USB из платы, нажать кнопку BOOTSEL и при нажатой кнопке вставить кабель, то загрузчик перейдёт в специальный режим, когда он прикидывается диском для компьютера. Диск имеет имя RPI-RP2. На нём находятся два файла с информацией о плате:

$ ls -l /Volumes/RPI-RP2
total 1
-rwxrwxrwx  1 vak  staff  241 Sep  5  2008 INDEX.HTM
-rwxrwxrwx  1 vak  staff   62 Sep  5  2008 INFO_UF2.TXT
$ cat /Volumes/RPI-RP2/INFO_UF2.TXT
UF2 Bootloader v3.0
Model: Raspberry Pi RP2
Board-ID: RPI-RP2

Но самое главное: если записать на этот диск файл в формате *.uf2, то он будет прошит в память процессора как программа для выполнения. Этот способ хорош тем, что не требует никаких дополнительных прибамбасов. Но нужно иметь возможность физически нажать кнопку на плате и передёрнуть питание.

Также в этот режиме можно пользоваться утилитой picotool. Она общается с бутлоадером через его протокол, и умеет много полезных вещей. Например, выдать подробную информацию о прошитой программе:

$ picotool info -a
Program Information
 name:          hello_serial
 web site:      https://github.com/raspberrypi/pico-examples/tree/HEAD/hello_world/serial
 features:      UART stdin / stdout
 binary start:  0x10000000
 binary end:    0x100053fc

Fixed Pin Information
 0:  UART0 TX
 1:  UART0 RX

Build Information
 sdk version:       1.3.1
 pico_board:        pico
 boot2_name:        boot2_w25q080
 build date:        May 20 2022
 build attributes:  Debug

Device Information
 flash size:   2048K
 ROM version:  3

Есть и другой способ прошивки: через отладочный порт SWD. Это три контакта на торце платы, противоположном разъёму USB. Но требуется отдельный адаптер: про него я расскажу ниже. Также будет нужна утилита openocd.

Blink: прошиваем через бутлоадер

Опробуем прошивку через бутлоадер. Загрузим в плату пример blink: он мигает светодиодом. Его мы скомпилировали в прошлый раз:

$ cd ~/Project/Pico/pico-examples/build/blink
$ ls -l blink.uf2
-rw-r--r--  1 vak  staff  41984 May 21 00:39 blink.uf2

Определите, где у вас в файловой системе смонтировался диск платы Pico. У меня это /Volumes/RPI-RP2. Скопируйте бинарный файл программы (в формате uf2) на этот диск:

cp blink.uf2 /Volumes/RPI-RP2

Обратите внимание на светодиод на плате: он должен начать мигать. Диск при этом RPI-RP2 автоматически отмонтируется.

Чтобы повторить прошивку после изменения программы, надо опять вынуть кабель USB, нажать кнопку BOOTSEL и при нажатой кнопке вставить кабель.

Прилаживаем адаптер picoprobe

Дальнейшие шаги возможны, если у вас имеется не одна, а _две_ платы Raspberry Pico. Хитрость в том, что одну плату мы превратим в USB-адаптер для прошивки и отладки второй платы. Подробности смотрите в статье: Raspberry Pi Pico and RP2040 - C/C++ Part 2: Debugging with VS Code.

Польза от такого подхода тройная:

• Можно прошивать плату без необходимости нажимать кнопку и передёргивать питание.
• Можно отлаживать программу на плате с помощью отладчика GDB.
• Можно подключаться к серийному порту UART0 платы.

Соедините платы следующим образом:


Можно просто припаять проводки, а можно обойтись макетной платой. У меня получилась такая конфигурация:



Теперь прошьём плату слева, которая станет адаптером отладки. Прошивку для неё (picoprobe) мы приготовили в предыдущий раз. Подключите кабель USB к левой плате, предварительно нажав кнопку BOOTSEL. После этого скопируйте на неё прошивку:

cd ~/Project/Pico/picoprobe/build
cp picoprobe.uf2 /Volumes/RPI-RP2

Светодиод должен загореться. Адаптер готов к работе. На вашем компьютере появится новый виртуальный последовательный порт. В моём случае это /dev/tty.usbmodem14301. Он нам будет нужен ниже.

Hello_serial: прошиваем через picoprobe

Теперь мы можем прошить вторую плату (справа) через наш свежеиспечённый адаптер. Возьмём другой пример, который выдаёт текстовое сообщение на серийный порт. Делается это таким образом:

cd ~/Project/Pico/pico-examples/build/hello_world/serial
openocd -f interface/picoprobe.cfg -f target/rp2040.cfg -c "program hello_serial.elf verify reset exit"

Процесс прошивки должен завершиться сообщениями:

** Programming Started **
Info : RP2040 B0 Flash Probe: 2097152 bytes @10000000, in 512 sectors
...
** Programming Finished **
** Verify Started **
...
** Verified OK **
** Resetting Target **
...

Заметьте: мы используем утилиту openocd, и прошиваем бинарный файл в формате elf (а не uf2, как с бутлоадером).

Командная строка слишком громоздкая получается, поэтому для себя я сварганил более удобный шелл-скрипт: pico-prog.

Подсоединяем консольный порт

Пример hello_serial, который мы прошили в плату, выдаёт сообщения в последовательный порт UART0, подсоединенный к контактам GP0 и GP1 на плате. Адаптер picoprobe даёт возможность подсоединиться к этому порту через USB. Нужен какой-то эмулятор терминала: я рекомендую minicom. Его можно установить на маке командой:

brew install minicom

На Линуксе

sudo apt-get install minicom

Подсоединяемся к серийному порту Pico:

minicom -D /dev/tty.usbmodem14301 -b 115200

В вашем случае имя устройства может быть другим. На Линуксе обычно /dev/ttyACM0. На экране должно повторяться сообщение:

Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
...

Сбрасываем плату из командной строки

Если есть необходимость сбросить программу на плате (послав виртуальный сигнал Reset), это можно сделать через адаптер отладки:

openocd -f interface/picoprobe.cfg -f target/rp2040.cfg -c init -c reset -c exit

Для удобства я засунул эту команду в шелл-скрипт: pico-reset.

Подключаем отладчик

Но конечно, самая мощная функция адаптера picoprobe - отладка через GDB. Методика отладки детально описана в документации Raspberry Pico, а здесь я покажу, как происходит подключение к плате.

В отдельном окошке запускаем openocd в режиме сервера. Он обеспечивает интерфейс между GDB и USB-адаптером picoprobe:

openocd -f interface/picoprobe.cfg -f target/rp2040.cfg

При вызове openocd выдаст сообщение:

Info : accepting 'gdb' connection on tcp/3333

То есть он принимает вызовы от отладчика GDB на локальном порту TCP с указанным номером.

При вызове отладчика нужно дать ему тот самый ELF-файл, который вы прошивали в плату:

$ gdb hello_serial.elf
GNU gdb (GDB) 12.1
...
Reading symbols from hello_serial.elf...
(gdb) target extended-remote :3333
Remote debugging using :3333
warning: multi-threaded target stopped without sending a thread-id, using first non-exited thread
time_reached (t=...) at pico-sdk/src/rp2_common/hardware_timer/include/hardware/timer.h:116
116     uint32_t hi_target = (uint32_t)(target << 32u);
(gdb) bt
#0  time_reached (t=...) at pico-sdk/src/rp2_common/hardware_timer/include/hardware/timer.h:116
#1  sleep_until (t=...) at pico-sdk/src/common/pico_time/time.c:361
#2  0x10000e78 in sleep_us (us=>optimized out<)
    at pico-sdk/src/common/pico_time/include/pico/time.h:102
#3  0x10000eb2 in sleep_ms (ms=ms@entry=1000) at pico-sdk/src/common/pico_time/time.c:393
#4  0x1000032a in main () at pico-examples/hello_world/serial/hello_serial.c:15
(gdb) i reg
r0             0xf480f             1001487
r1             0x1e8a44            2001476
r2             0x0                 0
r3             0xd0000128          -805306072
r4             0xf4239             999993
r5             0x0                 0
r6             0x1e8a4a            2001482
r7             0x0                 0
r8             0xffffffff          -1
r9             0xffffffff          -1
r10            0xffffffff          -1
r11            0xffffffff          -1
r12            0x20041f60          537141088
sp             0x20041fa8          0x20041fa8
lr             0x100010ab          268439723
pc             0x10000e0c          0x10000e0c >sleep_until+192<
xPSR           0x61000000          1627389952
msp            0x20041fa8          0x20041fa8
psp            0xfffffffc          0xfffffffc
primask        0x0                 0
basepri        0x0                 0
faultmask      0x0                 0
control        0x0                 0
(gdb) monitor resume
(gdb) _

Ну и так далее.

Мультиплатформенный отладчик на маке называется просто gdb, а на Линуксе gdb-multiarch. Устанавливается он, соответственно, на маке:

brew install gdb

На Линуксе:

sudo apt-get install gdb-multiarch

На этом подготовка инструментария для Pico закончена. В следующий раз займёмся изучением архитектуры процессора Cortext-M0+, в частности переключением контекста.

Comments

[ivanrubilo]

Прикольно, но нахрен ещё minicom если есть уже screen по дефолту в макоси:
`screen /dev/tty.usbmodem14301 115200`

[vak]

Не хотелось объяснять про разные терминалы отдельно для мака и Линукса. Миником прописан в официальной документации Raspberry Pico - значит пусть будет minicom.

[ufm]

screen тем более есть в любом, по моему, линуксе.

[vak]

У миникома есть одна полезная фича. Когда вытыкаете девайс, а потом подключаете USB кабель обратно, миником автоматически восстанавливает сеанс. А screen завершается, и его надо перевызывать вручную.

[ufm]

Не буду спорить, так как не владею миникомом (пользовался им, по моему, пару раз всего, еще во времена Fido). Впрочем, как и screen в таком режиме. Как-то всю жизнь хватало cu :)

[vak]

Да я вообще до недавних пор кермитом пользовался. :)
Но кермит стал пропадать из пакетов...