SWD GPIO实现

本文档描述 LibXR::Debug::SwdGeneralGPIO<SwclkGpioType, SwdioGpioType>：一个基于 GPIO 轮询（bit-bang）的 SWD 探针实现。它继承自 LibXR::Debug::Swd，提供 SWD 链路层能力，通常由上层（如 CMSIS-DAP 处理器/调试器）调用。

本文重点放在“如何使用”和“延时参数（loops_per_us）的选择/标定”，不展开实现细节。

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1. 总览

SwdGeneralGPIO 使用两根 GPIO 完成 SWD：

• SWCLK：由 SwclkGpioType 驱动输出时钟。
• SWDIO：由 SwdioGpioType 承担双向数据，运行时在“输出驱动”和“输入采样”之间切换。

时序由软件生成：通过目标时钟 hz 和延时标定系数 loops_per_us 计算“半周期应空转的循环次数”，从而逼近指定 SWCLK。

推荐外围电路（强烈建议按此做）：

• SWCLK/SWDIO 串联 33Ω（限流/抑制振铃）
• SWDIO 端接 10k 上拉

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2. 模板参数与 GPIO 依赖能力

类定义：

template <typename SwclkGpioType, typename SwdioGpioType>
class SwdGeneralGPIO final : public Swd;

期望 GPIO 类型提供的最小能力（抽象描述）：

• SetConfig({Direction, Pull}) -> ErrorCode
• Write(bool)
• Read() -> bool

其中 SWDIO 需要支持两种配置：

• 输出驱动：OUTPUT_PUSH_PULL
• 输入采样：INPUT + PULL_UP

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3. 快速开始

构造函数：

explicit SwdGeneralGPIO(SwclkGpioType& swclk,
                        SwdioGpioType& swdio,
                        uint32_t loops_per_us,
                        uint32_t default_hz = DEFAULT_CLOCK_HZ);

典型使用流程：

1. 初始化 GPIO 对象与探针实例（先给一个“保守”的频率与已标定的 loops_per_us）。
2. 对目标执行 EnterSwd()（不确定目标当前处于何种调试模式时建议调用）。
3. 上层用 Swd 基类的“带重试”接口进行传输（处理 WAIT、插入 idle clocks 等）。

示例：

using Probe = LibXR::Debug::SwdGeneralGPIO<MyGpio, MyGpio>;

MyGpio swclk, swdio;

// loops_per_us 建议先标定；default_hz 从保守值起步（如 100k~500k）
Probe probe(swclk, swdio, /*loops_per_us=*/calibrated, /*default_hz=*/500000);

probe.EnterSwd();

// 上层建议统一走带重试的路径（示意，具体看你的 Swd 基类封装）
uint32_t idcode = 0;
LibXR::Debug::SwdProtocol::Ack ack;
probe.ReadIdCode(idcode, ack);

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4. 时钟与延时参数（重点）

4.1 hz 的含义与行为

SetClockHz(hz) 用于设置“期望的 SWCLK 频率”。

• hz 会在实现支持的范围内被钳制（低于最小值会被抬高，高于最大值会被压低）。
• 频率是否“真的等于设定值”，取决于 loops_per_us 是否合理、GPIO 翻转速度、CPU 负载等。
• hz == 0 会使内部进入“无延时路径”（不主动插入 BusyLoop 延时），此时 SWCLK 实际频率由 CPU 与 GPIO 翻转速度决定，通常是“尽可能快”。

4.2 loops_per_us 是什么

loops_per_us 是一个“延时标定系数”：表示 BusyLoop 大约每 1 微秒需要的循环迭代次数。

它不是通用常量，通常会随以下因素显著变化：

• CPU 主频
• 编译优化等级（-O0/-O2/-Os 等）
• 是否开启 LTO、不同编译器版本
• 指令/总线等待状态（某些 MCU 在不同电源/时钟域下也可能变化）

只要上述条件变化，就应重新标定 loops_per_us。

4.3 何时会进入“无延时路径”

实际工作时有两种情况会进入“无延时路径”：

• 你显式把 loops_per_us 设为 0；或
• 在某个较高的 hz 下，计算出来“半周期需要的循环次数 < 1”，内部会把半周期循环数置 0，从而自动走无延时路径。

无延时路径的意义：

• 优点：开销更低，吞吐更高。
• 代价：SWCLK 频率不再受 hz 精准约束，而是“尽可能快/尽可能稳定”，以平台极限为准。

工程建议：

• 需要“可控且可复现”的 SWCLK：让 half_period_loops_ 明确大于 0（即 loops_per_us 标定合理，且 hz 不要设得过高）。
• 只追求“能跑、尽量快”：可以把 loops_per_us=0，或把 hz 调到足够高让系统自然进入无延时。

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5. loops_per_us 的选择与标定方法

下面给出两种常用标定方法。原则是：标定应在与你最终固件“相同编译选项 + 相同主频”条件下进行。

方法 A：用硬件计时器/周期计数器标定

思路：执行一次已知循环次数的 BusyLoop，测出耗时，再反推 loops_per_us。

操作要点：

1. 选择足够大的循环次数 N（例如 1e6 级别），保证测量时间明显大于计时器分辨率。
2. 记录开始时间 t0，执行 BusyLoop(N)，记录结束时间 t1。
3. 计算耗时 dt_us（微秒）。
4. loops_per_us ≈ N / dt_us（取整即可）。

优点：不依赖 SWD 外设、也不依赖目标板状态；标定完成后频率可预期。

方法 B：用逻辑分析仪/示波器对 SWCLK 实测回归

思路：先给一个粗略的 loops_per_us，设置一个低到中等的 hz（例如 100 kHz 或 500 kHz），测 SWCLK 实际频率，再调整 loops_per_us 使之贴合。

操作要点：

1. 先用“可确保进入有延时路径”的配置（例如较低 hz）。
2. 测量 SWCLK 频率 f_meas。
3. 按比例调整：loops_per_us_new ≈ loops_per_us_old * (f_meas / f_target)，反复迭代 1~2 次即可收敛。

优点：不需要访问计时器资源；同时把 GPIO 翻转开销一并纳入拟合。
注意：当你已经进入无延时路径时（频率很高），这种方法会失效，因为再调 loops_per_us 也未必能“拉回”到有延时路径。

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6. 频率选择建议（实践导向）

建议从保守到激进逐步上调，避免一上来就把链路推到边界：

• 初始 bring-up：100 kHz ~ 500 kHz（更容易排查连线/电气问题）
• 稳定后提速：1 MHz、2 MHz、4 MHz 分档尝试
• 如果需要更高：优先确认走线长度、阻尼电阻、地参考与目标板 SWD 引脚驱动能力；然后再上调

当出现以下症状，通常意味着频率过高或信号完整性不足：

• ACK 频繁出现 WAIT/FAULT/NO_ACK
• 读回数据 parity 失败
• 只在某些线长/某些板子上不稳定

处理顺序建议：

1. 先降频；
2. 确认 33Ω 串阻与 SWDIO 上拉；
3. 缩短线缆/改善接地；
4. 再考虑重新标定 loops_per_us（尤其在改了优化选项之后）。

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7. 关闭与安全态

调用 Close() 会把探针引脚恢复到更安全的状态（用于退出调试或切换复用功能时）：

• SWCLK 置高
• SWDIO 切到输入上拉

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