作者：陸向陽
Raspberry Pi Debug Probe的電路板（圖片來源：樹莓派官網）
2021年1月樹莓派官方推出獨家微控制器晶片RP2040，並用該晶片推出Raspberry Pi Pico（簡稱RPi Pico）控制板。事隔兩年後，樹莓派官方再次用RP2040晶片來實現新硬體，於2023年2月推出Raspberry Pi Debug Probe，或可譯為樹莓派除錯探針、探測器，建議售價12美元（在此打一下預防針，官方每次都標榜低價，但透過配銷、經銷、零售通路上架後，價格都不是這樣）。
為何樹莓派官方會推出這種新硬體？答案是官方對RPi Pico控制板進行除錯時，作法上就是用一片RPi Pico控制板來對另一片RPi Pico控制板除錯。既然如此，乾脆把另一片RPi Pico控制板改做成除錯專用的硬體，如此就成了RPi除錯探測器。
不過，RPi除錯探測器不是只能給RPi Pico控制板除錯，只要是Arm架構的微控制器晶片所構成的電路板都可以用它來除錯。
低階程式開發必然要用硬體除錯器
所謂除錯，其實就是給程式設一些執行中斷點，以便讓程式執行到中斷點時能暫停一下，然後檢查程式變數的值是否如預期的維持或變化？檢查暫存器或記憶體內的值是否如預期的維持或變化？或者也可以讓程式一行一行慢慢執行來觀察變化，稱為單步除錯，或者是一行一行回退執行，或回退執行到前一個中斷點等，以便更詳細觀察執行歷程。一旦發現執行不如預期，就可以進一步追蹤、檢討，然後修正原本撰寫的程式。
如果是撰寫高階程式語言，例如Python，那本來就有軟體的除錯器可用（執行環境內建除錯功能），不需要硬體的除錯探測器。或者，開發者撰寫的是在作業系統上執行的C語言程式，那也是可以使用純軟體除錯器（例如Linux上的gdb除錯器）。
但是，如果撰寫的是直接跑在硬體上的C語言，沒有作業系統層，也稱為Bare Metal（或稱裸機）運作模式，或者你就是在撰寫一套直接跑在硬體上的作業系統，那就沒有軟體除錯器可用，只能用硬體除錯探測器了。
依循CoreSight、CMSIS-DAP等標準
回到硬體的RPi除錯探測器，其實Arm對所有Arm核心的控制器電路都有設計名為CoreSight的除錯架構，每個控制器核心都有一個存取埠（Access Port, AP），透過對該埠的通訊傳輸，就可以對每個核心設置中斷點、單步執行、觀察暫存器值等。
而一個Arm控制晶片內可能不只一個核心，例如RP2040就有兩個Arm核心，所以有兩個AP，但整個晶片對外只有一個除錯埠（Debug Port, DP），兩個AP會匯集到同一個DP，讓除錯相關通訊透過DP進出。
除錯探測器左邊接個人電腦Host，右邊接要除錯的目標開發板Target（圖片來源：樹莓派官網）
USB埠到PC這一段路程走的是Arm制訂的CMSIS-DAP標準，然後電腦上要安裝OpenOCD（Open On-Chip Debugger）之類的除錯軟體，其他除錯軟體也是可以，只要該軟體也支援CMSIS-DAP標準。
另外，我們有時希望電腦端能夠用串列傳輸與目標電路板建立連線，如果電腦端是樹莓派，由於樹莓派本身有GPIO接腳，是可以用UART介面直接連接目標板來實現連線，但若是PC、Mac就沒有外露的GPIO接腳可用，這時若想讓電腦與目標板間建立串列傳輸連線，則可以透過RPi除錯探測器，探測器具有USB-to-UART的傳輸轉換功能，讓PC、Mac也能與目標板建立串列傳輸連線。
由此可知，即便使用者沒有在撰寫低階系統程式，也沒有其他使用除錯探測器的需要，也依然可以買RPi除錯探測器，即單純充當USB轉UART的轉接器來用，價格其實與真的只有USB轉UART功能的轉接器相差無幾。
除錯探測器完整配件內容（圖片來源：樹莓派官網）
蓋上殼蓋的RPi除錯探測器（圖片來源：樹莓派官網）
RPi除錯探測器（左）用灰色SWD線路連接目標板（右）的除錯埠，再用紅黑黃三線提供UART介面連接目標板，讓電腦與目標板建立起串列傳輸連線（圖片來源：樹莓派官網）
開發團隊分工
最後，RPi除錯探測器的專案推動者為James Adams，他也負責設計探測器的硬體電路；軟體方面則由Janathan Bell撰寫，其靈感啟發來自DapperMime專案；至於簡潔的塑膠機構外殼則由John Cowan-Hughes開發，外型藝術設計則為Jack Willis；生產製造的供應鏈主責者為Rose Nott；相關文件則由Alasdair Allan與Andrew Scheller負責編寫。
（責任編輯：謝嘉洵。）
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