Bare-Metal Debugging

Aus C und Assembler mit Raspberry
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Raspberry Pi 4

Die Verwendung der **Raspberry Pi Debug Probe** mit einem **Raspberry Pi 4** unter Windows 11 ist ein exzellenter Weg, um echtes Bare-Metal-Debugging zu betreiben. Da der Pi 4 im Gegensatz zum Pi 5 keinen dedizierten Debug-Port hat, müssen wir die **GPIO-Pins** dafür konfigurieren.

Hier ist der Schritt-für-Schritt-Plan, um GDB zum Laufen zu bringen:

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      1. 1. Hardware-Verbindung (SWD & UART)

Die Debug Probe hat zwei Anschlüsse: **D** (Debug/SWD) und **U** (UART/Seriell).

    • Verbindung zum GPIO-Header des Pi 4:**

Verwende das beiliegende Kabel (JST-auf-Header-Pins).

| Debug Probe (D-Port) | Pi 4 GPIO Pin | Funktion | | --- | --- | --- | | **SD** (gelb/gold) | **GPIO 24** (Pin 18) | SWDIO | | **SC** (orange) | **GPIO 25** (Pin 22) | SWCLK | | **GND** (schwarz) | **GND** (z.B. Pin 20) | Masse (Wichtig!) |

    • Optional: UART für Textausgabe (U-Port):**

| Debug Probe (U-Port) | Pi 4 GPIO Pin | Funktion | | --- | --- | --- | | **TX** | **GPIO 15** (Pin 10) | Pi RX | | **RX** | **GPIO 14** (Pin 8) | Pi TX |

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      1. 2. Konfiguration auf der SD-Karte (`config.txt`)

Damit der Pi 4 die JTAG/SWD-Signale an den GPIO-Pins überhaupt zulässt, musst du das in der `config.txt` auf deiner SD-Karte aktivieren:

```ini

  1. Aktiviert JTAG/SWD auf den Pins 22-27 (Alt4 Modus)

enable_jtag_gpio=1

  1. Dein Bare-Metal Kernel

kernel=kernel8.img

```

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      1. 3. Software-Setup unter Windows 11

Du benötigst zwei Hauptkomponenten: **OpenOCD** (als Brücke zur Hardware) und den **GDB** (als Debugger-Interface).

1. **OpenOCD für Windows:** Lade dir eine aktuelle Version herunter (z.B. von [xPack OpenOCD](https://github.com/xpack-dev-tools/openocd-xpack/releases)). 2. **ARM Toolchain:** Installiere die `arm-none-eabi-gcc` Toolchain, die den Debugger `arm-none-eabi-gdb` enthält.

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      1. 4. Den Debug-Vorgang starten
        1. Schritt A: OpenOCD Server starten

Öffne ein Terminal (PowerShell/CMD) und starte OpenOCD. Du musst die Konfiguration für die Debug Probe (`cmsis-dap`) und den Pi 4 (`bcm2711`) angeben:

```bash openocd -f interface/cmsis-dap.cfg -f target/bcm2711.cfg

```

  • Wenn alles klappt, siehst du eine Meldung wie `Listening on port 3333 for gdb connections`.*
        1. Schritt B: GDB verbinden

Öffne ein zweites Terminal und starte den Debugger mit deiner Bare-Metal ELF-Datei:

```bash arm-none-eabi-gdb dein_projekt.elf

```

Innerhalb von GDB gibst du nun folgende Befehle ein:

```gdb (gdb) target extended-remote localhost:3333 (gdb) monitor reset halt (gdb) load (gdb) continue

```

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      1. Wichtige Tipps für Windows 11:
  • **Zadig-Treiber:** Falls OpenOCD die Probe nicht erkennt, lade das Tool **Zadig** herunter. Wähle die Debug Probe aus und stelle sicher, dass der Treiber auf `WinUSB` oder `CMSIS-DAP` eingestellt ist.
  • **VS Code Integration:** Für ein komfortableres Erlebnis empfehle ich die Erweiterung **"Cortex-Debug"**. Damit kannst du Breakpoints direkt im Code setzen, anstatt Befehle in die Konsole zu tippen.

Raspberry Pi 5

Beim **Raspberry Pi 5** ist die Situation deutlich angenehmer als beim Pi 4, da die Hardware von Grund auf für das Debugging mit der **Raspberry Pi Debug Probe** vorbereitet wurde. Der Pi 5 besitzt einen dedizierten **Debug-Anschluss**, sodass du keine GPIO-Pins mehr "opfern" oder mühsam Kabel stecken musst.

Hier ist der Ablauf für den Pi 5 unter Windows 11:

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      1. 1. Hardware-Verbindung (Der einfache Weg)

Der Pi 5 hat zwischen dem HDMI-Port und dem USB-C Stromanschluss einen kleinen **3-Pin-JST-Anschluss** mit der Beschriftung **"UART"**.

  • Verwende das **3-Pin-auf-3-Pin-Kabel**, das der Debug Probe beiliegt.
  • Verbinde den **D-Port** (Debug) der Probe direkt mit diesem Anschluss am Pi 5.
  • **Wichtig:** Dieser eine Anschluss am Pi 5 liefert sowohl die **SWD-Signale** (für GDB) als auch den **UART-Ausgang** (für die serielle Konsole). Du brauchst also nur dieses eine Kabel!

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      1. 2. Software-Konfiguration (Bare-Metal)

Beim Pi 5 (BCM2712 Chip) ist der Debug-Port standardmäßig für UART aktiv, aber für echtes SWD-Debugging musst du sicherstellen, dass die Firmware den Zugriff erlaubt.

In der `config.txt` auf deiner SD-Karte:

```ini

  1. Aktiviert die Debug-Funktionen

enable_jtag_gpio=1

  1. Optional: Verhindert, dass der Pi in tiefe Stromsparmodi geht, die den Debugger trennen

arm_64bit=1 kernel=kernel8.img

```

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      1. 3. Debugging mit GDB unter Windows 11

Da der Pi 5 einen neueren Chip (**BCM2712**) verwendet, benötigt OpenOCD die passenden Konfigurationsdateien.

        1. Schritt A: OpenOCD starten

In der PowerShell/Eingabeaufforderung:

```bash openocd -f interface/cmsis-dap.cfg -c "transport select swd" -f target/bcm2712.cfg

```

        1. Schritt B: GDB (AArch64) nutzen

Da der Pi 5 ein reiner 64-Bit-Prozessor (Cortex-A76) ist, solltest du den **aarch64-none-elf-gdb** verwenden (Teil der ARM GNU Toolchain).

```bash aarch64-none-elf-gdb dein_baremetal_projekt.elf

```

Im GDB-Prompt:

```gdb (gdb) target extended-remote localhost:3333 (gdb) monitor reset halt (gdb) load (gdb) continue

```

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      1. 4. Besonderheit beim Pi 5: Der "Bootloader-Modus"

Der Pi 5 ist beim Booten sehr schnell. Wenn dein Bare-Metal-Code sofort abstürzt, verlierst du oft die Verbindung.

  • Du kannst den Pi 5 in einen "Wartemodus" versetzen, indem du bestimmte Flags in der EEPROM-Konfiguration setzt, aber für den Anfang reicht meist der Befehl `monitor reset halt` in GDB, um die CPU sofort nach dem Reset anzuhalten.

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      1. Zusammenfassung der Vorteile beim Pi 5:
  • **Kein Kabelsalat:** Ein Stecker für alles (Debug & Konsole).
  • **Keine GPIO-Konflikte:** Du kannst alle 40 GPIO-Pins für dein Projekt nutzen, während du debuggst.
  • **Geschwindigkeit:** Der BCM2712 reagiert wesentlich schneller auf Debug-Befehle als der alte Pi 4 Chip.
    • Ein kleiner Fallstrick:** Die Debug Probe muss unter Windows 11 manchmal via **Zadig** korrekt zugewiesen werden (wie beim Pi 4 erwähnt), damit OpenOCD den `cmsis-dap` Treiber korrekt anspricht.

Willst du ein bestehendes C-Projekt auf den Pi 5 portieren, oder fängst du mit einem "Hello World" (LED blinken) komplett neu an?

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