В этой статье расскажем, как научиться отлаживать и полюбить маленькую черную плату Black Magic Probe V2.1. Но для начала немного о том, что это такое и зачем она нужна.

Плата Black Magic Probe Mini V2.1 (BMPM2) разработана 1BitSquared в сотрудничестве с Black Sphere Technologies, является адаптером JTAG и SWD, предназначена для программирования и отладки микроконтроллеров ARM Cortex-M и ARM Cortex-A. Можно добавить поддержку других процессоров. Описание процесса добавления можно найти по ссылке. Стоит также отметить, что любой процессор с поддержкой ADIv5 (ARM Debug Interface v5) будет определяться платой.

На рисунках приведены процессоры семейств ARM Cortex-M и ARM Cortex-A, поддерживаемые платой Black Magic Probe Mini V2.1.

В процессе тестирования Black Magic Probe было выявлено, что поддерживаемые процессоры не ограничиваются списком, предоставленным производителем. Официально не поддерживаемые процессоры с ARM Debug Interface v5 определяются, например, как "Cortex-M0" или “Cortex-A7”. При этом, не гарантируется полная функциональность, но все же произвести минимальные действия по отладке получится.

Что можно делать с использованием платы Black Magic Probe:

• прерывать процесс исполнения программы;
• наблюдать за изменениями регистров и переменных;
• устанавливать точки останова (можно установить точку останова в коде, которая заставит программу остановиться, как только эта точка будет достигнута);
• просматривать стек вызовов (список функций и их параметров, которые привели нас к текущей точке и состоянию программы);
• дизассемблирование (возможность просмотреть машинный код и узнать, что именно делает программа);
• дамп памяти (сохранение ОЗУ и/или флэш-контента в файл).

Функции Black Magic Probe, которые могут быть полезны при исследовании информационной безопасности устройств:

• разработка встроенного программного обеспечения и устройств для проведения атак;
• реверс-инжиниринг IoT;
• поиск уязвимостей;
• динамический анализ с помощью IDA и других инструментов, совместимых с серверами gdb.

BMPM2 обладает двумя основными особенностями. Первая заключается в том, что на самом устройстве запускается gdbсервер, открывающий виртуальный порт, к которому можно напрямую подключиться через клиент gdb на своем хост-компьютере (рекомендуется набор инструментов gcc-arm-embedded), поэтому не нужно настраивать конфигурации OpenOCD или STLink. Сравнение схем подключения отладочного интерфейса при помощи OpenOCD/STLink и BMPM2 можно увидеть ниже. Как видно, вариант с подключением через BMPM2 проще.

Второй является возможность скомпилировать прошивку под другие платы, при этом необходимость в BMPM2 отпадает. Совместимые платы представлены тут.

Для изучения возможностей работы были взяты четыре платы: TM32F103C8, STM32vldiscovery, STM32F429I-disc1 и предлагаемая разработчиками 1Bitsy V1.0.

Более подробно будет рассмотрена работа с 1Bitsy и STM32F429I-disc1. Первая была выбрана по рекомендации самих разработчиков, а у второй есть сенсорный экран, что делает процесс исследования более наглядным.

Познаем мир отладки с Black Magic Probe

Изучение работы Black Magic Probe V2.1 удобно начать с отладки 1Bitsy. Эта плата была создана специально для работы с BMPM2, поэтому не должно возникнуть никаких затруднений.
Соединим Black Magic Probe и 1Bitsy между собой кабелем JTAG и подключим их к компьютеру.
Ниже будет описана работа в среде GNU/Linux, руководство по работе в ОС Windows и MacOS легко найти по ссылке.

После подключения BMPM2 к ПК и к разъему JTAG, на 1Bitsy выполним три команды в gdb для начала отладки. Важно, чтобы пользователь был добавлен в группу dialout командой "sudo adduser $USER dialout", иначе ничего не заработает. Первой командой “target extended-remote /dev/ttyACMx” подключаемся к BMPM2, где x — номер серийного порта, далее сканируем все подключенные к Black Magic Probe устройства с помощью команды “monitor jtag_scan”. Если все хорошо, то будет выведен список найденных устройств и командой “attach 1” мы подключимся к 1Bitsy.

(gdb) target extended-remote /dev/ttyACM0
Remote debugging using /dev/ttyACM0
(gdb) monitor jtag_scan
Target voltage: 3.3V
Available Targets:
No. Att Driver
 1      STM32F4xx
(gdb) attach 1
Attaching to Remote target
warning: No executable has been specified and target does not support
determining executable automatically.  Try using the "file" command.
0x0800026c in ?? ()
(gdb)

Все, теперь мы можем выполнить отладку прошивки, загруженной в 1Bitsy. С 1Bitsy, и правда, не возникло никаких проблем с подключением, все просто и достаточно удобно. Сохранится ли простота и удобство при работе с другой платой?

В наличии была плата на основе микроконтроллера STM32 — STM32F429I-disc1, ей и воспользуемся, заодно зальем на нее какую-нибудь интересную прошивку. Главным отличием в работе с этой платой от работы с 1Bitsy является соединение по интерфейсу SWD, а не JTAG.

Перед началом работы соединяем платы через JTAG/SWD адаптер по следующей схеме:
на интерфейсе SWD (если считать с крайнего сверху выхода):

1. SWCLK
2. GND
3. SWDIO
4. 3V — tVref.

Для демонстрации работоспособности процесса отладки была использована прошивка, содержащая несколько программных модулей. Один из них — игра Reversi, её будет отлаживать интереснее всего.

Заливаем прошивку на плату и в gdb вводим почти те же команды, что и для 1Bitsy, с той лишь разницей, что плата подключена по SWD, поэтому потребуется использовать команду swdp_scan.

(gdb) target extended-remote /dev/ttyACM0
Remote debugging using /dev/ttyACM0
(gdb) monitor swdp_scan
Target voltage: 3.3V
Available Targets:
No. Att Driver
 1      STM32F4xx
(gdb) attach 1
Attaching to Remote target
warning: No executable has been specified and target does not support
determining executable automatically.  Try using the "file" command.
0x0800026c in ?? ()
(gdb)

К огромной печали, нам ни разу не удалось выиграть, поэтому захотелось что-нибудь в ней поломать. Для начала, мы посмотрели исходники. В них была найдена переменная Board, предположительно, обозначающая адрес первой ячейки доски. Рядом есть строки "Reversi — Player 1" и "Reversi — Player 2".

static void _SetPlayer(int Player) {
  int Score, ValidMoves, PossibleMoves;
  char ac[256];

  _Board.ActPlayer = Player;
  if (Player == 1) {
    FRAMEWIN_SetText(_hFrame, "Reversi - Player 1");
  } else {
    FRAMEWIN_SetText(_hFrame, "Reversi - Player 2");
  }
  FRAMEWIN_SetBarColor(_hFrame, 1, (Player == 1) ? GUI_RED : GUI_BLUE);
  PossibleMoves = _CalcValidMoves(&_Board);
  GUI_Exec();

if (!PossibleMoves) {
    GUI_Exec();
    _Board.ActPlayer = 3 - Player;

По этим строкам мы осуществили поиск в дизассемблере IDA. Выяснили, что из псевдокода можно узнать адрес, который является начальным адресом ячеек доски.

  v1 = a1;
  v2002CB74 = a1;
  if ( a1 == 1 )
  {
    sub_D8B3C(v2002CB80, "Reversi - Player 1");
    v2 = 255;
  }
  else
  {
    sub_D8B3C(v2002CB80, "Reversi - Player 2");
    v2 = 16711680;
  }
  sub_E06A8(v2002CB80, 1, v2);
  v3 = sub_DEDF8(0x2002CAF4);
  result = ((int (*)(void))sub_C91B4)();
  if ( v3 )
    return result;
  sub_C91B4(result);
  v2002CB74 = 3 - v1;
  v5 = sub_DEDF8(0x2002CAF4);

Далее, решили воспользоваться gdb для того, чтобы посмотреть, что находится по этому адресу.

Все верно. Если внимательно изучить данную таблицу и расположение фишек в начале игры, то можно заметить, что 001 означает красную фишку, а 002 — синюю. Можно попробовать изменить значение одной из ячеек. Для этого мы воспользовались командой:

set *(char *) 0x2002CAF4 = 1

Результат:

После этого мы решили попробовать значения всех ячеек приравнять единице, и тем самым выиграть игру с первого хода.

Результат выполнения скрипта:

Скрипт успешно отработал, нам удалось победить в игре, а это значит, что с помощью платы Black Magic Probe Mini V2.1 через gdb можно успешно отлаживать и "ломать" прошивки.
А теперь немного скучных примеров с моргающими лампочками.

STM32F103C8

Плату STM32F103C8 подсоединим к Black Magic Probe V2.1 через интерфейс JTAG.

Исходники для прошивки платы можно взять тут.

В исходном коде можно попробовать изменять скорость моргания лампочки, уменьшая или увеличивая интервалы времени, когда она горит и когда гаснет.

STM32vldiscovery

Плату STM32vldiscovery подсоединим к Black Magic Probe V2.1 через интерфейс SWD, а именно:

1. 3V3 — tVref
2. PA13 — SWDIO
3. PA14 — SWCLK
4. GND — GND

Исходники для прошивки платы можно взять тут.

Здесь все аналогично предыдущей плате, также меняем интервалы времени в исходниках и смотрим на лампочку.

Выводы

Плата Black Magic Probe Mini V2.1 — простая в использовании и имеет набор инструментов и библиотек с открытым исходным кодом, это является ее основными плюсами.
Минусом платы является отсутствие поддержки архитектуры процессоров arm64 и процессоров Texas Instruments.

http://1bitsy.org/overview/introduction/
https://1bitsquared.com/products/black-magic-probe
https://github.com/esden/1bitsy-bmpm-exercises/blob/master/embedded_programming_with_black_magic_and_lights_on-workshop_guide.pdf
https://github.com/blacksphere/blackmagic/wiki

Авторы

• Евгений Рассказов Jokiv
• Валерия Губарева veneramuholovka