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i.MX RT系列MCU启动那些事(1)- Boot简介

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发表于 2018-12-19 11:30:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 小恩GG 于 2018-12-19 11:32 编辑

         作者简介:痞子衡(网名),i.MX RT系列MCU启动那些事系列来自恩智浦(NXP)半导体MCU系统部门,担任嵌入式系统应用工程师,文章出处(http://www.cnblogs.com/henjay724/),有很多干货,本文正文如下:


      大家好,我是痞子衡,是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家介绍的是飞思卡尔i.MX RT系列MCU的BootROM功能简介
  截止目前为止i.MX RT系列已公布的芯片有三款i.MXRT105x, i.MXRT102x, i.MXRT106x,所以本文的研究对象便是这三款芯片,从参考手册来看,这三款芯片的BootROM功能差别不大,所以一篇文章可以概括这三款芯片的BootROM特性。

一、Boot基本原理

1.1 从内部FLASH启动

  Boot是任何一款MCU都有的特性。提及Boot,首先应该联想到的是FLASH,通常Cortex-M微控制器芯片内部一般都会集成FLASH(从FLASH分类上来看应该属于Parallel NOR FLASH),你的Application代码都是保存在FLASH里,每次上电CPU会自动从FLASH里获取Application代码并执行,这个行为就是Boot

  大家都知道,ARM Cortex-M内存使用的是统一编址,32bit总线的地址空间是4GB (0x00000000 - 0xFFFFFFFF)。打开最新的Arm®v6/7/8-M Architecture Reference Manual手册找到如下system address map表,你会发现ARM已经将这4GB空间内容给初步规划好了,各ARM Cortex-M微控制器厂商在设计芯片时一般都会遵守ARM规定。
F53A0D5164AC4B62B64F6CF581618B12.png

从上述system address map表中我们可以知道,ARM 4GB空间的前512MB(0x00000000 - 0x1FFFFFFF)规划为非易失性存储器空间。看到这,你是不是明白了为啥各大厂商生产的Cortex-M芯片内部FLASH地址总是从0x0开始,因为仅含FLASH的芯片上电启动默认都是从0x0地址开始获取Application的初始PC和SP开始Boot。

1.2 BootROM是什么
  大家是不是也会经常在芯片参考手册里看到BootROM的字眼,BootROM是什么?BootROM其实是芯片在出厂前固化在ROM里的一段Bootloader程序。这个Bootloader程序可以帮助你完成FLASH里的Application的更新,而不需要使用额外的外部编程/调试器(比如JLink),除了Application更新之外,当然BootROM也可以完成Application的启动,Bootloader一般提供UART/SPI/I2C/USB接口与上位机进行通信,与Bootloader配套使用的还有一个上位机软件,当芯片从BootROM启动后,通过这个上位机软件与BootROM建立连接,然后可以将你的Application代码(bin/s19/hex格式)下载进芯片FLASH。
  BootROM并不是每一款MCU都有的。以飞思卡尔Kinetis系列MCU为例,早期的Kinetis产品比如MKL25并不含ROM,第一款支持ROM的Kinetis芯片是2014年推出的MKL03,而恩智浦的LPC系列以及意法半导体的STM32系列MCU一般都是含ROM的。不同厂商芯片的ROM起始地址可能不一样(Kinetis ROM一般从0x1c000000开始,LPC ROM一般从0x03000000开始,STM32 ROM结束地址是0x1FFFFFFF)。

1.3 Boot Mode选择

     当芯片既有ROM也有FLASH的时候,便会出现Boot位置选择问题,标准术语称为Boot Mode。芯片上电CPU到底是先从FLASH启动还是先从ROM启动?关于这个问题,各芯片厂商的解决方案不一样
  Kinetis的Boot Mode由FLASH偏移地址0x40d处的值(上电系统会自动将这个值加载到FTFx_FOPT寄存器中)以及NMI pin共同决定。LPC的Boot Mode由ISP[1:0]以及VBUS pins决定。STM32的Boot Mode由BOOT[1:0] pins决定。
  下图为MK80的具体Boot Mode:
02AE8AF920ED40B0959C36A8CCC3A03A.png

13BECB34E23D4DC087A974631590D703.png

下图为LPC54114的具体Boot Mode:
030A28312D56456BAA4E59B18ED7B5B3.png

下图为STM32F407的具体Boot Mode:

1.4 从内部SRAM启动

  SRAM存在于任何一款MCU中,它除了可以保存Application数据变量外,当然也可以存放Application代码以供CPU执行。但是SRAM是易失性存储器,存放的数据断电会丢失,所以从SRAM启动跟从FLASH/ROM启动性质不一样。

从FLASH/ROM启动属于一级启动,不依赖除了Boot Mode选择之外的条件;而从SRAM启动属于二级启动,其需要借助裸芯片本身之外的外力引导一下才能完成。外力引导的方式有两种:一是借助于外部调试器,直接将Application下载进SRAM并将PC指向Application开始执行,其实这就是所谓的在SRAM调试;二是借助于事先存储在FLASH/ROM中的Bootloader程序,Bootloader会将存放在FLASH(或其他非易失性存储器,或者从上位机直接接收)中的Application先加载到SRAM里然后Jump过去执行。

1.5 从外部存储器启动

  有些MCU并没有内部FLASH,所以会支持外接存储器,常见的外部存储器有QSPI NOR/NAND, SD/eMMC, SDRAM, Parallel NOR/NAND, SPI/I2C EEPROM等,MCU内部集成相应的存储器接口控制器,通过接口控制器可以轻松访问这些外部存储器。一个没有内部FLASH的MCU肯定会有ROM(BootROM),因为必须要借助BootROM才能Boot存储在外部存储器的Application,所以从外部存储器启动也属于二级启动

  那么怎么理解从外部存储器启动?需要弄明白以下几个问题:

  第一个问题:从外部NOR FLASH存储器启动(比如QSPI NOR/Parallel NOR/EEPROM)跟从内部FLASH启动有什么区别?最大的区别是从外部NOR FLASH启动本质上属于二级启动,其无法像内部FLASH那样直接启动,需要由Bootloader引导。即使技术上可以做到存储在外部NOR FLASH里的Application能够原地执行(XIP),但也需要Bootloader完成外部NOR FLASH的初始化以及XIP相关配置。

  第二个问题:从外部NAND FLASH存储器启动(比如QSPI NAND/Parallel NAND/SD/eMMC)跟从NOR FLASH启动有什么区别?最大的区别是NAND FLASH无法像NOR FLASH那样可以XIP执行,这是由NAND FLASH原理决定的,因为NAND FLASH是按Page访问的并且允许坏块的存在,这意味着CPU无法直接从NAND FLASH取指和执行,必须先由Bootloader将存放在NAND FLASH中的Application先全部拷贝到内部SRAM中,然后从SRAM启动执行。

  第三个问题:从外部SDRAM存储器启动跟从内部SRAM启动有什么区别?这里其实区别倒不大,两个都是易失性存储器,都无法直接启动,不过SRAM是直接挂在系统bus上,而SDRAM是挂在存储器接口控制器上,而后者需要Bootloader去做初始化。

二、i.MXRT Boot

  在第一部分里讲了Boot基本原理以及各种Boot方式,那么i.MXRT Boot到底属于哪一种?在回答这个问题之前我们先看一下i.MXRT102x的system memory map(i.MXRT105x也类似,区别是ITCM/DTCM/OCRAM的size是512KB)。
3AF81701A81D46B1A0C30CBA7F554AB9.png

从memory map里可以看到,i.MXRT支持存储类型一共有三种:一是96KB的ROM(即BootROM)、二是总容量3*256KB的RAM(OCRAM/DTCM/ITCM)、三是分配给外部存储器接口控制器(SEMC/QSPI)的2GB区域。看到这里你应该明白了,i.MXRT Boot方式主要是借助BootROM从外部存储器加载Application到内部SRAM/外部SDRAM/原地XIP执行

  那么i.MXRT到底支持从哪些外部存储器加载启动呢?翻看i.MXRT的参考手册里的System Boot章节,可以看到i.MXRT启动支持以下6种外部存储器:
  • Serial NOR Flash via FlexSPI
  • Serial NAND Flash via FlexSPI
  • Parallel NOR Flash via SEMC
  • RAW NAND Flash via SEMC
  • SD/MMC via uSDHC
  • SPI NOR/EEPROM via LPSPI

  其中Serial/Parallel NOR这两种Device可以XIP,其他4种Device无法XIP,需要拷贝到内部RAM或外接SDRAM里运行。关于具体如何从这6种Device启动,痞子衡下篇文章接着聊。

  至此,飞思卡尔i.MX RT系列MCU的BootROM功能痞子衡便介绍完毕了,掌声在哪里~~~







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