最近在研究无线下载器，就用ARM开源的CMSIS-DAP协议，结果自闭了四五天，终于在一篇非常棒的文章里找到了方法，因为写的太好了，所以这里我直接把原文翻译成中文，英文原文见：usb_express:cmsis-dap [Geniekits]

在STM32F103C8上实现CMSIS-DAP

本工程的相关代码已经上传至Github，你也可以从我的下载页面获取到源文件。

如果你想在主流的MCU上进行嵌入式开发，一般来说你需要一个JTAG来连接单片机和电脑。对于ARM的MCU来说，J-Link是一个非常有名的设备，它可以提供JTAG协议将单片机个电脑连接起来。CMSIS-DAP是一个由ARM公司发布的一款类似的设备。DAP和J-Link最主要的区别在于DAP使开源的，而J-Link是一个付费产品。另外，CMSIS-DAP是基于USB HID的，所以你不需要额外安装一个固件驱动就能使用。

CMSIS-DAP 2.0.0的源码在CMSIS V5的GitHub仓库里。在源码里还有两个基于LPC-Link-II的示例。这两个示例使用的是Keil MDK的RTE组件和USB库。在源码中还有一个叫做USB_CM3.lib的库文件。正因为这些，官方提供的这个示例很不方便（即非ARM的平台就没法用）。作为一个开源的狂热粉丝，我决定以完全自由的方式实现CMSIS-DAP。

STM32F103是一款非常受欢迎，非常便宜的MCU，它有着ARM Cotex-M3的内核，由STMicroelectronics设计。正巧我手里有一些叫做Bluepill的最小系统板，它上面搭载了一片小巧的STM32F103C8T6芯片，并且上面也没有多余的无用的外设组件。这块开发板的唯一不足是连接在USB D+引脚的上拉电阻是10K，但按照标准它应该是1.5K，不过它的USB依然能够正常工作，没有出什么问题。

给STM32创建一个完整的嵌入式开发环境是非常简单的。在ST的官网上，我们可以下载一些免费软件，其中最重要的是STM32CubeMX。这是一个图形化配置工具，帮助用户选择单片机引脚的功能，并自动生成外设初始化代码。我配置了USB、SPI1和USART1，并选择了USB的Custom HID middleware模式。GPIOB10到GPIO15被配置为JTAG调试需要的引脚。GPIOC13用于驱动单片机上的LED灯。但是我不知道怎么在STM32CubeMX中配置CoreDebug和DWT，它能在软件里面配置吗？

ST公司也开发了他们自己的JTAG调试器——STLink。当然它并不是必要的，你也可以使用J-Link或者其他种类的调试器。STLink的驱动和程序可以在ST官网上下载。在网站里还有一个基于Eclipse开发环境开发的IDE，STM32CubeMX也被包含其中。我选择的IDE是基于CodeBlocks的Embitz，IDE中的arm_none_eabi_gcc版本是5.4.1。在我完成我的CMSIS-DAP之前，我必须使用STLink来调试我的代码。现在我在使用新做出来的CMSIS-DAP结合OpenOCD进行日常的开发。

从CMSIS-DAP的源码开始

CMSIS V4 和 V5 中都有CMSIS-DAP的源码，我从Github上下载了CMSIS_5。CMSIS-DAP的核心文件有五个，但示例其实比核心代码更重要。我将从示例V1的头文件开始分析。

DAP_config.h

我选择LPC-Link-II V1作为我的参考是因为它是通过USB HID实现的（V2是通过WinUSB实现）。我分析的第一个文件是DAP_Config.h。第一个关键位置如下：

#ifdef _RTE_
#include "RTE_Components.h"
#include CMSIS_device_header
#else
#include "device.h"                             // Debug Unit Cortex-M Processor Header File
#endif

我想抛弃RTE的相关文件，所以_RTE_是不会被定义的，并且我必须创建我自己的device.h。

我将参数CPU_CLOCK重定义为72000000(72MHz)。根据文件里的注释，参数DAP_PACKET_SIZE必须重新定义为64U。我把SWO_UART改为0，这让我的工作轻松不少。参数TIMESTAMP_CLOCK也要重定义为72000000。LPC-Link-II使用Cortex-M3 的 DWT模块实现时间戳（TIMESTAMP），这也是为什么我想在CubeMX中尝试配置STM32F103的DWT。最后我自己写了一小段代码来实现这个功能（在device.c中）：

CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;
/*** On Cortex-M7 core there is a LAR register in DWT domain.* Any time we need to setup DWT registers, we MUST write* 0xC5ACCE55 into LAR first. LAR means Lock Access Register.*/
DWT->CYCCNT = 0;
DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;

我定义的引脚和NXP LPCxx的完全不同。我为STM32F103重写了所有的引脚的操作代码。在DAP_Config.h这个文件中还有一些奇怪的地方，比如：

// SWCLK/TCK I/O pin -------------------------------------/** SWCLK/TCK I/O pin: Get Input.
\return Current status of the SWCLK/TCK DAP hardware I/O pin.
*/
__STATIC_FORCEINLINE uint32_t PIN_SWCLK_TCK_IN  (void) {return ((LPC_GPIO_PORT->PIN[PIN_SWCLK_TCK_PORT]>> PIN_SWCLK_TCK_BIT) & 1U);
}

我不明白为什么DAP的代码里需要读取SWCLK/TCK引脚的电平，这个引脚明明是被配置为推挽输出来产生时钟信号输送给JTAG从机的。从上面列出来的代码可以看出，它是希望返回当前引脚的电平值，我的实现方式稍微有点不同：

__STATIC_FORCEINLINE uint32_t PIN_SWCLK_TCK_IN  (void) {return (uint32_t)(JTAG_TCK_GPIO_Port->ODR & JTAG_TCK_Pin ? 1:0);
}

我返回的是当前引脚的输出值。我不确定这是否正确。在整个代码中，这句话只被DAP.c中的一个叫DAP_SWJ_Pins的函数调用了两次。我猜测DAP_SWJ_Pins这个函数是用来测试IO口是否工作正常的。

另一个奇怪的地方是PIN_nRESET_OUT：

/** nRESET I/O pin: Set Output.
\param bit target device hardware reset pin status:- 0: issue a device hardware reset.- 1: release device hardware reset.
*/
__STATIC_FORCEINLINE void     PIN_nRESET_OUT (uint32_t bit) {if (bit) {LPC_GPIO_PORT->DIR[PIN_nRESET_PORT]    &= ~(1U <<PIN_nRESET_BIT);LPC_GPIO_PORT->CLR[PIN_nRESET_OE_PORT]  =  (1U <<PIN_nRESET_OE_BIT);} else {LPC_GPIO_PORT->SET[PIN_nRESET_OE_PORT]  =  (1U <<PIN_nRESET_OE_BIT);LPC_GPIO_PORT->DIR[PIN_nRESET_PORT]    |=  (1U <<PIN_nRESET_BIT);}
}

为猜测release的意思可能是将nRESET引脚重新配置为一个失能的引脚。我的代码如下：

__STATIC_FORCEINLINE void     PIN_nRESET_OUT (uint32_t bit) {GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};if ((bit & 1U) == 1) {JTAG_nRESET_GPIO_Port->BSRR = JTAG_nRESET_Pin;GPIO_InitStruct.Pin = JTAG_nRESET_Pin;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;HAL_GPIO_Init(JTAG_nRESET_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);} else {JTAG_nRESET_GPIO_Port->BRR = JTAG_nRESET_Pin;GPIO_InitStruct.Pin = JTAG_nRESET_Pin;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;HAL_GPIO_Init(JTAG_nRESET_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);}
}

给你一个特殊的提示：

你可能在一些地方看见我写了if(...)之类的代码，像下面这样：

  if ((bit & 1U) == 1) {...} else {...}

我使用参数bit的最低位是因为有时候这个bit既不是0也不是1，它可能是2或者其他奇怪的值，所以不要把你的代码写成这样：

  if (bit) {...} else {...}

这会出问题的！

osObjects.h

#ifndef __osObjects_h__
#define __osObjects_h__#include "cmsis_os2.h"#ifdef osObjectsExternal
extern osThreadId_t DAP_ThreadId;
#else
extern osThreadId_t DAP_ThreadId;osThreadId_t DAP_ThreadId;
#endifextern void DAP_Thread (void *argument);extern void app_main (void *argument);#endif  /* __osObjects_h__ */

这是一个很简单的头文件。但它引用了另一个叫做cmsis_os2.h的头文件，这是CMSIS库的一部分，但我没有没有从CMSIS库中复制到我的工程中，因为并不是其中所有的内容我都需要。我选择写一个“假”的cmsis_os2.h头文件而不是直接使用原有的头文件。这里还有另一个叫做DAP.h的头文件，它属于DAP的核心模块，在这里面引用了cmsis_compiler.h文件，这也是CMSIS库的一部分。毫无疑问，我也写了一个“假”的cmsis_compiler.h。分析到现在，我需要创建三个头文件（device.h&cmsis_os2.h&cmsis_compiler.h）来实现我的DAP工程。

接下来我会对main.c和USBD_User_HID_0.c做一些一些简单的介绍。

main.c

我在尽可能地精简我下载下来的这些源文件，所以我也没有要示例工程中的rl_usb.h文件。于是我还需要一个头文件来定义一些关于USB通信的函数和参数。这里有一些来自CMSIS RTOS库的函数，其中最重要的一个是osThreadNew，在我的工程中我把它实现如下：

osThreadId_t osThreadNew(void (*func)(void *), void * n, void * ctx)
{(void)n;(*func)(ctx);return 0;
}

我直接“跳转”到本需要被创建的线程函数中，这就意味着main.c中的osKernelGetState&osKernelStart&osDelay三个函数永远不会被执行。下一个重要的函数是USBD_Configured，我将在使用STM32CubeMX生成初始化代码那一节解释这个函数。

USBD_User_HID_0.c

我移除了RTE\USB\USBD_Config_HID_0.h并在我自己的rl_usb.h中重新定义了USBD_HID0_OUT_REPORT_MAX_SZ & USBD_HID0_IN_REPORT_MAX_SZ两个参数。

USB HID通信的核心是由两个接口中断函数管理的两个循环队列：

int32_t USBD_HID0_GetReport (uint8_t rtype, uint8_t req, uint8_t rid, uint8_t *buf) {(void)rid;switch (rtype) {case HID_REPORT_INPUT:...break;}return (0);
}

bool USBD_HID0_SetReport (uint8_t rtype, uint8_t req, uint8_t rid, const uint8_t *buf, int32_t len) {(void)req;(void)rid;switch (rtype) {case HID_REPORT_OUTPUT:...break;}return true;
}

当上位机向DAP发送OUTPUT REPORT报文后，DAP会调用USBD_HID0_SetReport函数，该参数的输入形参rtype必须为HID_REPORT_OUTPUT。当DAP成功向上位机发送INPUT REPORT报文时，函数USB_HID0_GetReport被调用，该函数的输入形参rtype必须为HID_REPORT_INPUT，并且形参req必须为USBD_HID_REQ_EP_INT。这意味着我们所有的报文必须通过64B数据包大小的USB中断端点传输。

线程DAP_Thread只是一个命令判断选择器。在这个函数中有一个很重要的语句：

USBD_HID_GetReportTrigger(0U, 0U, USB_Response[n], DAP_PACKET_SIZE);

我们必须实现一个叫做USBD_HID_GetReportTrigger的函数来想上位机发送INPUT REPORT。

使用STM32CubeMX生成初始化代码

在我的单片机上有一个8MHz的晶振，所以我选择HSE为时钟信号源。PLLMul配置为x9，得到72MHz的PLLCLK，提供给CPU和AHB/APB2总线，提供给APB1总线的PCLK1配置为36MHz。USB预分频配置为1.5分频，得到48MHz的USB时钟。SPI1配置为Full-Duplex Master，舍去NSS信号，USART1配置为Asynchronous。USB设备进一步配置为Custom HID Class，USBD_CUSTOMHID_OUTREPORT_BUF_SIZE设置为64 Bytes。

注意：
我没有修改设备的VID和PID。但我猜测有些上位机软件会检测这两个ID

如果你发现你的软件不能识别我这个CMSIS-DAP，或许你需要恰当的VID和PID。可以试试示例代码中的VID/PID，它在一个叫做USBD_Config_0.c的文件中，我的工程中没有这个文件。

有STM32CubeMX生成的代码需要一些修改。在usbd_customhid.h中，CUSTOM_HID_EPIN_SIZE和CUSTOM_HID_EPOUT_SIZE必须设置为0x40U。我把CUSTOM_HID_FS_BINTERVAL改为0x01来尝试提升HID的通信速度。

在_USBD_CUSTOM_HID_Itf结构体中，我新增了一个成员：

typedef struct _USBD_CUSTOM_HID_Itf
{uint8_t                  *pReport;int8_t (* Init)(void);int8_t (* DeInit)(void);int8_t (* OutEvent)(uint8_t event_idx, uint8_t state);/* I add an extra interface func below. Zach Lee */int8_t (* InEvent)(uint8_t event_idx, uint8_t state);
} USBD_CUSTOM_HID_ItfTypeDef;

当INPUT REPORT报文成功发给上位机时，InEvent函数应当被调用，所以usbd_customhid.c中的USBD_CUSTOM_HID_DataIn函数需要修改如下：

static uint8_t  USBD_CUSTOM_HID_DataIn(USBD_HandleTypeDef *pdev,uint8_t epnum)
{/* Ensure that the FIFO is empty before a new transfer, this condition couldbe caused by  a new transfer before the end of the previous transfer */USBD_CUSTOM_HID_HandleTypeDef     *hhid = (USBD_CUSTOM_HID_HandleTypeDef *)pdev->pClassData;hhid->state = CUSTOM_HID_IDLE;/* I add a new interface func in the structure USBD_CUSTOM_HID_ItfTypeDef. Zach Lee */((USBD_CUSTOM_HID_ItfTypeDef *)pdev->pUserData)->InEvent(hhid->Report_buf[0],hhid->Report_buf[1]);return USBD_OK;
}

设备描述符CUSTOM_HID_ReportDesc_FS被定义在usbd_suctom_hid_if.c中，我定义了一个简单的描述符：

/** Usb HID report descriptor. */
__ALIGN_BEGIN static uint8_t CUSTOM_HID_ReportDesc_FS[USBD_CUSTOM_HID_REPORT_DESC_SIZE] __ALIGN_END =
{/* USER CODE BEGIN 0 */ /* A minimal Report Desc with INPUT/OUTPUT/FEATURE report. Zach Lee */0x06,0x00,0xFF,         /*  Usage Page (vendor defined) ($FF00) global */0x09,0x01,              /*  Usage (vendor defined) ($01) local */0xA1,0x01,              /*  Collection (Application) */0x15,0x00,              /*   LOGICAL_MINIMUM (0) */0x25,0xFF,              /*   LOGICAL_MAXIMUM (255) */0x75,0x08,              /*   REPORT_SIZE (8bit) */// Input Report0x95,64,                /*   Report Length (64 REPORT_SIZE) */0x09,0x01,              /*   USAGE (Vendor Usage 1) */0x81,0x02,              /*   Input(data,var,absolute) */// Output Report0x95,64,                /*   Report Length (64 REPORT_SIZE) */0x09,0x01,              /*   USAGE (Vendor Usage 1) */0x91,0x02,              /*   Output(data,var,absolute) */// Feature Report0x95,64,                /*   Report Length (64 REPORT_SIZE) */0x09,0x01,              /*   USAGE (Vendor Usage 1) */0xB1,0x02,              /*   Feature(data,var,absolute) *//* USER CODE END 0 */0xC0                    /*  END_COLLECTION                 */
};

可能Feature Report在CMSIS-DAP中不是必要的，就留着它吧。

我在这个C文件中还实现了一个新的接口函数CUSTOM_HID_InEvent_FS：

static int8_t CUSTOM_HID_InEvent_FS(uint8_t event_idx, uint8_t state);  /* An extra interface func. */USBD_CUSTOM_HID_ItfTypeDef USBD_CustomHID_fops_FS =
{CUSTOM_HID_ReportDesc_FS,CUSTOM_HID_Init_FS,CUSTOM_HID_DeInit_FS,CUSTOM_HID_OutEvent_FS,/* I add an extra interface func below. Zach Lee */CUSTOM_HID_InEvent_FS
};

extern void USBD_OutEvent(void); /* Implemented in file "device.h" */static int8_t CUSTOM_HID_OutEvent_FS(uint8_t event_idx, uint8_t state)
{/* USER CODE BEGIN 6 */USBD_OutEvent();        /* OUTPUT REPORT was received. Zach Lee */return (USBD_OK);/* USER CODE END 6 */
}extern void USBD_InEvent(void); /* Implemented in file "device.h" */static int8_t CUSTOM_HID_InEvent_FS(uint8_t event_idx, uint8_t state)
{/* USER CODE BEGIN extra */USBD_InEvent();       /* INPUT REPORT has been sent. Zach Lee */return (USBD_OK);/* USER CODE END extra */
}

CUSTOM_HID_Init_FS和CUSTOM_HID_DeInit_FS两个函数被实现为使能/失能DAP功能：

extern void USBD_HID0_Initialize (void);static int8_t CUSTOM_HID_Init_FS(void)
{/* USER CODE BEGIN 4 */USBD_HID0_Initialize(); /* Initialize USB communication of DAP. Zach Lee */return (USBD_OK);/* USER CODE END 4 */
}extern void USBD_HID0_Uninitialize (void);static int8_t CUSTOM_HID_DeInit_FS(void)
{/* USER CODE BEGIN 5 */USBD_HID0_Uninitialize(); /* Uninitialize. Zach Lee */return (USBD_OK);/* USER CODE END 5 */
}

编写将所有源代码关联起来的桥梁

为了移除CMSIS RTOS，我写了一些函数来模拟RTOS：

/*** Replace CMSIS RTOS api*/
static volatile int osFlags;  /* Use "volatile" to prevent GCC optimizing the code. */void osKernelInitialize(void)
{osFlags = 0;return;
}
int osThreadFlagsWait(int mask, int b, int c)
{(void)b;(void)c;int ret;while((osFlags&mask) == 0){;}ret = osFlags; osFlags &= ~mask;return ret;
}
void osThreadFlagsSet(int tid, int f)
{(void)tid;osFlags |= f;return;
}

函数USBD_Configured和USBD_HID_GetReportTrigger实现如下：

int USBD_Configured(int n)
{(void)n;return (hUsbDeviceFS.dev_state == USBD_STATE_CONFIGURED ? 1:0);
}

void USBD_HID_GetReportTrigger(int a, int b, void * report, int len)
{(void)a;(void)b;if (USBD_OK != USBD_CUSTOM_HID_SendReport(&hUsbDeviceFS, report, len)){;}return;
}

函数USBD_CUSTOM_HID_SendReport是由STM32CubeMX生成的，它被定义在usbd_customhid.c中，我自己的事件句柄如下：

bool USBD_HID0_SetReport (uint8_t rtype, uint8_t req, uint8_t rid, const uint8_t *buf, int32_t len);void USBD_OutEvent(void)
{USBD_CUSTOM_HID_HandleTypeDef *hhid = (USBD_CUSTOM_HID_HandleTypeDef *)hUsbDeviceFS.pClassData;USBD_HID0_SetReport(HID_REPORT_OUTPUT, 0, 0, hhid->Report_buf, USBD_CUSTOMHID_OUTREPORT_BUF_SIZE);
}int32_t USBD_HID0_GetReport (uint8_t rtype, uint8_t req, uint8_t rid, uint8_t *buf);void USBD_InEvent(void)
{int32_t len;USBD_CUSTOM_HID_HandleTypeDef *hhid = (USBD_CUSTOM_HID_HandleTypeDef *)hUsbDeviceFS.pClassData;if ((len=USBD_HID0_GetReport(HID_REPORT_INPUT, USBD_HID_REQ_EP_INT, 0, hhid->Report_buf)) > 0){USBD_HID_GetReportTrigger(0, 0, hhid->Report_buf, len);}
}

注意：
在DAP.h中，这里有个名为PIN_DELAY_SLOW的函数，它原本的实现是这样的：

__STATIC_FORCEINLINE void PIN_DELAY_SLOW (uint32_t delay) {uint32_t count;count = delay;while (--count);
}

这里的空循环while (–count);会被GCC优化。我在StackOverflow中找到了一个好点子，它能正常工作但不是太合适，你有更好的方法吗？

__STATIC_FORCEINLINE void PIN_DELAY_SLOW (uint32_t delay) {uint32_t count;count = delay;while (--count) {/*** Empty loop will be totally omitted by GCC.* Search "How to prevent GCC from optimizing out a busy wait loop?" @ StackOverflow.* This solution isn't portable. Zach Lee*/ __ASM("");}
}

如何使用这个CMSIS-DAP

硬件连接非常简单。我使用一块STM32F103C8T6作为CMSIS-DAP，另一块相同的开发板作为被调试的目标板，下图是两块开发板之间的连线，只需要四根线。

一些有用的链接

Another implementation of CMSIS-DAP with SWO support

结语

翻译完了，接下来的是我自己的一些话。

真的非常感谢这位大大，过去的四五天我看了很多份代码，基本都是基于X893大神的代码修改的，但毕竟X893的代码历史太悠久了，已经是七年前写的代码了，使用的又是MDK Keil的RL-USB库，核心代码居然是在一个库文件中，根本看不到内核，导致我一直不知道usbd_hid_get_report和usbd_hid_set_report和usbd_hid_get_report_trigger这三个函数应该怎么实现，是在什么情况下被调用的，功能具体是啥。只能说能照搬着用，但是一旦换成其他系列的芯片就不好办了。

后来我看到了这篇文章：高速USB 2.0的CMSIS-DAP调试器：CMSIS-DAP正确打开方式（3月18日更新速度和稳定性），跟着走了一遍，但不知道为什么下载进去后，USB插电脑上一点反应都没有，电脑既没有识别这个HID设备也没有提示请求描述符失败，至今还是感觉很迷。

还有一些代码把X893代码里的库文件替换成了可以打开的C文件和H文件，比如xjtuecho/CMSIS-DAP，但是还是看不懂，最后的最后，在今天，我遇见了这篇好文章，跟着它的步骤走，只用了两个小时不到，就自己从零实现了一个CMSIS-DAP，当时别提多激动了。

不过就像这篇文章最开始说的那样，我的最终目标是实现无线的CMSIS-DAP，也就是想正点原子的无线调参盒那种，正点原子的无线调试器要卖两百多，而我自己做的话成本可以压到三四十块，用起来很随心所欲的那种。

关于无线的CMSIS-DAP，我找到了三个开源的代码：

K-O-Carnivist/CMSIS-DAP-Wireless
wuxx/nanoDAP-wireless
SibiryakovVictor/STM32F10X-CMSIS-DAP-Debugger-through-UART-or-Bluetooth-HC-05

我也想尝试着实现一个，但目前还卡在一个问题中。等我彻底实现了无线CMSIS-DAP再把相关的东西写出来。

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