基于CMSIS-DAP的无线仿真器方案完工

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wuxxb930f9 发布时间：2019-9-23 00:35

技术帖
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支持JTAG/SWD协议
支持虚拟串口
支持5V/3.3V

这个小产品前前后后大概做了三个月左右，有些细节还是经过仔细反复推敲过的，整体方案自我还是比较满意的。原理其实比较简单，实际上就是透传USB HID报文：DAP协议通信是应答式的，HOST发送请求过来，DAP这边返回请求就可以了，对于USB全速设备来说，每次来回传输64字节。

关键要点在于以下几点：

1. 无线模块很关键，直接关系到调试下载的速度，无线肯定是比有线慢一些的，但不能太慢，如果太慢则上位机认为已经失去连接会直接断开（keil发出的usb hid请求必须在1-2秒之内回复，否则便会断开），一开始设计的是使用不带PA的NRF24l01模块，这个模块的问题是只能半双工通信，通信通信距离和性能都很低，而且抗干扰性很差，我使用的是国产的si24r1，可以pin2pin替代nrf24l01，据说性能比nrf24l01还是有点差距，实际测试下来无线传输速度只有4KB/s，这个性能不管是下载或者调试，基本上是难以忍受的，而且实际测试中抗干扰性很差，加上PA或许会稍有改善，然而性能始终是个无法解决的问题。稍作考虑之后决定用ESP8266作为无线模块，WiFi的稳定性和通信速度基本上是可以保证的，实际测试下来通信速度可以达到40KB/s，这个速度还是不错的，而且以ESP8266的性能后面还有很大优化空间，根据http://iot-bits.com/esp8266-tcp-server-speed-test/这里的测试结论，8266纯发射数据速率可以达到Mbps级别的。

2. 虚拟串口实现，CMSIS-DAP是自带CDC的虚拟串口的，这个功能配合调试一起还是比较方便的，考虑到性能的缘故，串口和DAP协议数据都复用在了同一个socket里传输（用两个socket会增加系统负担，性能会慢），串口数据封装成了一条自定义的DAP命令，host端仍然使用DAP数据包，将host发出的串口数据作为请求，target则将收到的串口数据作为应答，使用tlv格式来指示有效的数据，以此来实现实现双向的串口传输。还是那句话，这一切都需要系统有足够的性能，如果无线传输性能只有4KB/s的话，连115200的串口波特率都无法实现有效传输。
3. 由于使用ESP8266 SDK开发，底层无线传输使用LWIP协议栈，使用TCP协议传输DAP数据包和串口数据，一般来说，传输层可以选择可靠的TCP协议和非可靠的UDP协议，UDP协议开销相对要小一些，性能也会更好一些，然而在简单测试了一下UDP协议之后，我立马放弃了UDP协议，丢包有点频繁，尤其在wifi信号比较多的场景，丢包概率会更高，串口数据或许还可以允许部分的丢包，而DAP通信是不允许任何一个包丢失的。所以使用TCP实现比较靠谱，双工通信，带数据确认，丢包重传，可有效提高传输的稳定性和可靠性。
4. 无需安装驱动，也无需做任何额外的配置，只需要把发射机和接收机上电，等待双方的蓝灯从闪烁变为常亮之后，即可开始正常调试。而且支持重新配对，单个发射机可以和任意一个接收机重新建立配对，只需要将接收机短接nRST和GND并上电，便可实现重新配对。原理也很简单：发射机作为AP模式，SSID以固定的前缀nanoDAP-wl-[chipid]开头（由于带上了chipid，所以不同的发射机SSID都是不一样的），接收机上电会搜索以这个前缀开头的SSID，重新建立连接即可。而且理论上支持N对发射机/接收机同时工作，互不干扰。

后续可以继续优化的地方
1. 支持固件升级，当前固件升级需要使用其他仿真器进行升级，后续可以移植DAPLink 的MSD bootloader，将固件拖拽到U盘中即可实现升级，这个应该是最简单最方便的固件升级方式，通常的固件升级还需要再PC端安装厂商提供的升级软件，稍微麻烦一些，而且不同的windows系统上还可能存在兼容性问题。
2. 性能仍然可以继续提升，后续考虑修改LWIP底层协议栈实现性能提升，因为我们只需要TCP协议，其他协议都可以砍掉，这应该可以省掉很多判断和循环。