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RP2350 发布博客

发布于 2024-08-08

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Intro

今天发布了 Raspberry Pi 微控制器系列的最新产品 - RP2350 系列。 我已经有一段时间的原型单元，你今天就可以在它上面运行 Rust 代码。 据我所知，这是有史以来第一个开箱即用支持 Rust 的微控制器发布。 如果你还没看过其他地方的规格，让我来介绍一下： RP2040| RP235x ---|--- 主 CPU| 2x Arm Cortex-M0+ (Armv6-M)| 2x Arm Cortex-M33 with FPU (Armv8-M) 备选 CPU| None| 2x Hazard3 (RISC-V RV32IMAC) 原子比较和交换| No| Yes (Arm 和 RISC-V 模式) 双精度浮点协处理器| No| Yes (仅 Arm 模式) 标称时钟| 133 MHz| 150 MHz 片上 SRAM| 264 KiB| 520 KiB 内部 Flash| None| 要么 None (RP2350x)，要么 2 MiB (RP2354x) 内部 OTP| None| 64 页，每页 64 个 24 位字（可读为 16 位 + ECC） 安全启动| No| Yes 外部存储器| 1x QSPI Flash (最大 16 MiB)| 2x QSPI Flash 和/或 PSRAM (每个最大 16 MiB) Flash 分区| 不支持| ROM 最多支持 16 个，带有地址转换 地址转换| None| 每个芯片选择四个 4 MiB 窗口，可映射到任何 4 KiB 偏移 GPIO| 30x 3.3V| 30x (xA) 或 48x (xB) 3.3V PIO 块| 2| 3 PWM 通道| 16| 24 ADC 通道| 4| 4 (xA) 或 8 (xB) DVI 输出| 软件实现 (使用 2x 超频)| 硬件 TMDS 编码器 & 高速双倍泵浦串行器 USB 设备| USB 1.1 全速| USB 1.1 全速 USB 主机| USB 1.1 低速/全速| USB 1.1 低速/全速 睡眠电流| 180 μA| 低至 10 μA 正如你所看到的，我们几乎拥有了一切 - 加上可以在启动时或运行时将两个 Cortex-M33 中的一个（或两个）换成开源[1] Hazard3 RISC-V 核心。 在我看来，唯一没有真正改善的是我们仍然卡在 USB 1.1 的 11 Mbps 全速 上，而不是升级到 USB 2.0 的 480 Mbps 高速 模式 - 这很可惜。 但是，嘿，它仍然只有一美元！ 另外！ 不再有单一 SKU - 而是有四种 RP235x 变体可供发布。 RP2040| RP2350A| RP2350B| RP2354A| RP2354B ---|---|---|---|--- 封装| QFN56| QFN60| QFN80| QFN60| QFN80 内部 Flash| None| None| None| 2 MiB| 2 MB GPIO| 30| 30| 48| 30| 48 ADC 引脚| 4| 4| 8| 4| 8 在这篇博客中，当我说 RP235x 时，我指的是 RP2350A、RP2350B、RP2354A 或 RP2354B 中的任何一个。 当我说 RP2350x 时，我指的是没有 flash 的部件之一。 当我说 RP235xA 或 xA 时，我指的是任何 QFN60 RP235x 部件，对于 RP235xB 或 xB，我指的是任何 QFN80 RP235x 部件。 所有 RP235x 都有相同的硅芯片，所以好消息是我们在考虑软件时可以很大程度上忽略这些。 即使是内部 Flash 实际上也是 封装中的 Flash，因此工作方式与外部 flash 完全相同。 由于焊盘在内部键合的方式，60 针封装上的 GPIO 实际上不是芯片上的前 30 个 GPIO，但是芯片内的重新映射功能意味着你可以假装它们是前 30 个 GPIO。 这仅仅是因为硅芯片勘误表意味着重新映射在 Arm 非安全模式下不起作用，但这没关系。 大多数代码都将在安全模式下运行。 我可以访问 RP2350A 的各种早期版本，这些版本安装在预生产的 Raspberry Pi Pico 2 上。

它能运行 Rust 吗？

当然，你可以为它编译 Rust 代码。 对于 Arm Cortex-M33 核心，使用 thumbv8m.main-none-eabihf。 对于 Hazard3 RV32IMAC 核心，使用 riscv32imac-unknown-none-elf。 我已经尝试过这两种方法，从编译器的角度来看没有任何问题。 我的实验性 HAL 位于 https://github.com/thejpster/rp-hal-rp2350-public。 截至今天，该存储库是公开的，但已存档。 我希望这些更改将在 https://github.com/rp-rs 上游采用，但我即将去度假，所以不会发送 PR。 此外，还有一些悬而未决的问题，我希望社区参与进来：

编辑： 好的，几个月后我回到了这里，a) 修复了一些示例中的错别字，以及 b) 让你知道 RP2350 HAL 支持现在位于 https://github.com/rp-rs/rp-hal，所以你应该去使用该版本。 没有太多变化，但可能有一些有用的错误修复。

先别管细节，给我看看 Demo

我已经将 https://github.com/rp-rs HAL 移植到 RP235x，以及一些示例：

rustup target add thumbv8m.main-none-eabihf
rustup target add riscv32imac-unknown-none-elf
git clone https://github.com/thejpster/rp-hal-rp2350-public
cd rp-hal-rp2350-public/rp235x-hal
# 它为 Arm 构建
cargo build --example pwm_blink --target thumbv8m.main-none-eabihf --all-features
picotool load -t elf ./target/thumbv8m.main-none-eabihf/debug/pwm_blink
# 一些示例（没有中断的那些）也为 RISC-V 构建！
cargo build --example pwm_blink --target riscv32imac-unknown-none-elf --all-features
picotool load -t elf ./target/riscv32imac-unknown-none-elf/debug/pwm_blink

你需要按照 Raspberry Pi 的说明，了解如何使用他们的 Pico SDK 编译 picotool。 遗憾的是，在有人添加 Arm Debug Interface v6 支持之前，标准的 Rust 工具（如 probe-rs）将无法与 RP2350 配合使用，这非常重要（并且远远超出了我的技能）。

RP2040 上 Rust 的回顾

RP2040 有两个 Arm Cortex-M0+ CPU，因此合适的 Rust 目标是 thumbv6m-none-eabi。 RP2040 有两个独立的 Rust 堆栈实现：

rp2040-hal 是我一直在使用的，但我听到了关于 embassy-rp 的好评 - 特别是如果你正在寻找为你的 RP2040 编写 Async Rust。 两者都让你为你的 RP2040 编写 Rust 代码，并使用所有集成的外围设备与漂亮的、高级的驱动程序。

今天 Rust 能做什么

RP235x 有两个 Arm Cortex-M33 CPU，因此 Arm 模式的合适 Rust 目标是 thumbv8m.main-none-eabihf。 RISC-V 模式的合适目标是 riscv32imac-unknown-none-elf。 到目前为止，我已经：

这些更改位于 rp-rs 存储库的一个分支中，我今天将其公开。 我可以确认，从应用程序的角度来看，可能只需要进行少量更改。 HAL 中最大的 API 更改是围绕删除 RTC 外围设备 - 最接近的功能现在是 POWMAN 外围设备的“始终在线定时器”，其具有 64 位 1 毫秒的滴答声。 还有现在有两个标准 Timer 外设，因此你必须明确你要使用哪一个。

RP2040 启动的回顾

RP2040 从其内部 Mask ROM 启动。 这个 ROM 查找并执行 flash 开头的特殊 256 字节 启动块，它在你的代码启动之前将外部 flash 控制器重新编程为高速 QSPI 模式。 然后，它使用位于启动块之后的向量表（位于 flash 地址 0x100 或内存地址 0x1000_0100）来启动你的应用程序，就像“常规”Arm CPU 一样。

启动 RP235x

这是我在移植我们现有的 Rust 代码以在 RP235x 上运行时面临的最大挑战，因此我想在此处详细介绍一下，以帮助那些沿着这条路跟随我的人。 基本上，RP235x 上的事情变得 有点复杂：

  1. 有两个“核心”，每个“核心”可以是 Arm (Cortex-M33) 模式或 RISC-V (Hazard3) 模式。
  2. 此选择会在核心重置后记住。
  3. Arm Cortex-M33 核心可以在 安全模式 或 非安全模式 下运行代码，并且外围设备/内存范围可以锁定为只能从 安全模式 访问。
  4. RISC-V Hazard3 核心可以在 机器模式 或 用户模式 下运行代码，并且外围设备/内存范围可以锁定为只能从 机器模式 访问。
  5. 启动 ROM 是核心运行的第一件事。
  6. 因此，既有 RISC-V ROM，也有 Armv8-M ROM。 实际上，我认为 RISC-V ROM 运行一个微小的 Arm 模拟器来执行 Arm 版本的代码 - 或者至少在早期版本中是这样。
  7. ROM 需要弄清楚你的代码在哪里，以及你是否想在 Cortex-M33 上运行 Arm 代码，或者在 Hazard3 上运行 RISC-V 代码。
  8. ROM 还处理固件签名、分区表、安全/非安全模式、OTP 启动、UART 启动、从 SRAM 执行等
  9. 片上有 一次可编程 Flash，它可以通过包含以下内容来影响启动：
    • 哈希公钥，用于验证签名密钥是否有效，
    • 自定义引导加载程序，或
    • 自定义 QSPI flash 配置。

在 RP235x 上，256 字节的启动块消失了 - ROM 现在可以自动对外部 Flash 控制器进行编程，以使用各种常见的 QSPI flash（欢呼！）。 它有一个要尝试的命令和时钟分频器列表，但是如果你的 flash 芯片非常奇怪，ROM 无法使其工作，则可以将你的自定义 flash 配置放入 OTP 中。 虽然旧的启动块消失了，但你现在确实需要提供一个名为 Image Definition 的新数据结构，它位于 Flash 的前 4 KiB 内的某个位置。 这个 Image Definition 是称为 Block 的结构的特定形式。 Image Definition 告诉 ROM（或其他工具）关于你的应用程序的信息。 Block 必须形成为一个闭合的链表，称为 Block Loop。 如果你有一个 Block，它必须指向自身。

┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┓
┃ 0xffffded3    ┃ 魔术 32 位起始值              } 标头
┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
┃ 项目 0      ┃
┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
┃ ...        ┃
┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
┃ 项目 N━1     ┃
┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
┃ 字数       ┃ 此块中有多少个字              }
┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫                     }
┃ 下一个块偏移     ┃ 到列表中下一个块的相对偏移              } 页脚
┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫                     }
┃ 0xab123579    ┃ 魔术 32 位结束值               }
┗━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┛

支持的项目包括（但不限于）：

为了简单起见，我认为你需要启动 RP235x 的最小 Image Definition 是：

┏━━━━━━━━━━━━━━━┓
┃ 0xffff_ded3  ┃ 魔术 32 位起始值              } 标头
┣━━━━━━━━━━━━━━━┫
┃ 0x1021_0142  ┃ 以 Arm 安全模式启动
┣━━━━━━━━━━━━━━━┫
┃ 0x0000_01ff  ┃ 此块长 1 个字             }
┣━━━━━━━━━━━━━━━┫                    }
┃ 0x0000_0000  ┃ 到下一个块的偏移量（指向自身）          } 页脚
┣━━━━━━━━━━━━━━━┫                    }
┃ 0xab12_3579  ┃ 魔术 32 位结束值               }
┗━━━━━━━━━━━━━━━┛

这些 32 位值应以小端格式存储。 单个块通过偏移量零指向自身，但你可能想在 flash 映像的末尾添加第二个 Block，其中包含该映像的哈希或签名。 实际上，picotool 可以 密封 ELF 文件或 UF2 文件，并为你添加这样一个新的 Block，将其连接到先前仅在 flash 开头包含 Image Definition 的 Block Loop 中。 要使用哈希 密封 文件，你可以执行以下操作：

picotool seal \
  --verbose \
  --major 1 --minor 0 \
  --hash \
  ./target/thumbv8m.main-none-eabihf/release/examples/rom_funcs -t elf \
  ./target/rom_funcs_hashed.elf

要使用签名（受密码保护的哈希）密封 文件，你可以执行以下操作：

# 创建一个椭圆曲线密钥对
openssl ecparam -name secp256k1 -genkey -noout -out ec-secp256k1-priv-key.pem
# 使用我刚刚创建的密钥对二进制文件进行签名
picotool seal \
  --verbose \
  --major 1 --minor 0 \
  --sign \
  ./target/thumbv8m.main-none-eabihf/release/examples/rom_funcs -t elf \
  ./target/rom_funcs_signed.elf \
  ./ec-secp256k1-priv-key.pem \
  ./target/rom_funcs_signed_otp.json

第二个命令同时生成一个签名文件和一个需要设置的 OTP 值的 JSON 列表（picotool 可以为你执行此操作）。 只有当 RP235x 处于 安全启动 模式时才会检查这些签名，并且该模式由 OTP 中的一位控制。 我还没有足够勇敢地打开我唯一的 Pico 2 板上的那个位。 除了 Image Definitions 之外，你还可以创建一个 Partition Table，这是另一种 Block。 Partition Table 可以描述 Flash 中最多 16 个分区，并控制它们是用于代码还是数据、它们是 A 分区还是 B 分区（用于 OTA 升级和先试后买），以及它们是用于 Arm 安全模式、Arm 非安全模式还是 RISC-V 代码。 你不必哈希你的 Partition Table，但这可能是一个好主意，这样你的 RP235x 就永远不会尝试使用损坏的分区表。 并且请注意，安全模式代码始终可以做任何它喜欢的事情并覆盖分区表，但非安全模式代码和 ROM 例程将遵守它，picotool 也会遵守它。 在运行时，你当前的的 Partition Table 位于它自己的特殊 RAM 片段中（我认为在 0x4000_0000 附近）。 如果你有一个 Partition Table，那么当你将 UF2 文件拖放到 USB 大容量存储接口时，它将根据 UF2 系列 ID 自动写入到相应的分区。 让我们使用 picotool 将此分区表添加到 Pico 2：

{
 "version": [1, 0],
 "unpartitioned": {
  "families": ["absolute"],
  "permissions": {
   "secure": "rw",
   "nonsecure": "rw",
   "bootloader": "rw"
  }
 },
 "partitions": [
  {
   "name": "Armageddon",
   "id": 0,
   "size": "2044K",
   "families": ["rp2350-arm-s"],
   "permissions": {
    "secure": "rw",