飞思卡尔i.MX RT系列MCU启动那些事（3）- Serial Downloader模式(s...

小恩GG · 发表于 2019-3-15 15:32:09

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Serial Downloader模式。
在上一篇文章 Boot配置(BOOT Pin, eFUSE) 里痞子衡为大家介绍了i.MXRT Boot的行为配置，其中第一节里讲了Boot有三种行为模式：Serial Downloader、Boot From Fuses、Internal Boot，后两种是核心的加载启动行为模式，而Serial Downloder看起来是个次要的模式，那么Serial Downloader模式到底有什么用？今天痞子衡就来详细聊一聊Serial Downloader模式。
痞子衡在前面已经讲过Serial Downloader模式是一种串行下载模式，在这种模式下，BootROM通过指定的USB或者UART口来接收来自Host（恩智浦提供了上位机工具sdphost.exe或者mfgtool）的Flashloader数据，并将数据存储在SRAM中执行，Flashloader程序可以用来将你的Application下载进i.MXRT支持的所有外部非易失性存储器中，为后续从外部存储器启动做准备。
一、进入Serial Downloader模式
i.MXRT上电永远是从ROM启动去执行BootROM程序，最顶层的Boot行为模式由BOOT_MODE[1:0] pins的状态决定，想进入Serial Downloader模式最直接的方式便是将BOOT_MODE[1:0]输入状态拨成2'b01，在设计i.MXRT的硬件板时BOOT_MODE[1:0] pins应设计成可通过拨码开关选择输入电平，下图是RT1052硬件板的参考设计：

拨码开关SW5应拨向SW_DIP-8的8和10，即设置BOOT_MODE[1:0]=2'b01，此时便直接进入了Serial Downloader模式。
当然如果SW5不按上面这么设置，也有可能进入Serial Downloader模式，但是需要其他前提条件，即Boot From Fuses/Internal Boot模式下从Boot Device加载启动失败。
二、sdphost/mfgtool的使用
进入了Serial Downloader模式，此时便可以用恩智浦提供的host工具与BootROM进行命令交互，host工具在 Flashloader包里。

下载好Flashloader包之后，在\Flashloader_i.MXRT1050_GA\Flashloader_RT1050_1.1\Tools下可以找到所有host工具，其中用于与BootROM通信的有两个：sdphost.exe与MfgTool2.exe。
2.1 支持的通信外设pinout
BootROM支持两种通信外设，分别是USB-HID和UART，pinout如下（Pinout适用RT105x和RT102x）：

2.2 sdphost用法
sdphost.exe是命令行工具，使用sdphost既可以通过UART口也可以通过USB口与BootROM进行通信与命令交互。
在命令行下打开sdphost.exe，输入-?命令可以看到sdphost使用帮助，一共7条命令：

PS C:\Flashloader_i.MXRT1050_GA\Flashloader_RT1050_1.1\Tools\sdphost\win> .\sdphost.exe -?
usage: C:\Flashloader_i.MXRT1050_GA\Flashloader_RT1050_1.1\Tools\sdphost\win\sdphost.exe
[-?|--help]
[-p|--port <name>[,<speed>]]
[-u|--usb [[[<vid>,]<pid>]]]
[-t|--timeout <ms>]
-- command <args...>
Options:
-?/--help Show this help
-p/--port <name>[,<speed>] Connect to target over UART. Specify COM port
and optionally baud rate
(default=COM1,115200)
If -b, then port is BusPal port
-u/--usb [[[<vid>,]<pid>] | [<path>]]
Connect to target over USB HID device denoted by
vid/pid (default=0x15a2,0x0083) or device path
-t/--timeout <ms> Set packet timeout in milliseconds
(default=5000)
Commands:
// 读指定AIPS外设寄存器值
read-register <addr> [<format> [<count> [<file>]]]
Read one or more registers at address.
Format must be 8, 16, or 32;
default format is 32.
Count is number of bytes to read;
default count is sizeof format
(i.e. one register).
Output file is binary;
default is hex display on stdout.
// 写值进指定AIPS外设寄存器
write-register <addr> <format> <data>
Write one register at address.
Format must be 8, 16, or 32.
Data is data value to write.
// 写image文件数据进指定SRAM地址
write-file <addr> <file> [<count>]
Write file at address.
Count is size of data to write in bytes;
size of file will be used by default.
// 返回上条命令的执行状态
error-status Read error status of last command.
// 写DCD table进指定SRAM地址
dcd-write <addr> <file> Send DCD table from file.
<addr> must point to a valid
temporary storage area.
// 忽略image文件中的DCD table
skip-dcd-header Ignore DCD table in image.
// 跳转执行含IVT头的image
jump-address <addr> Jump to entry point of image
with IVT at specified address.

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当使用串口转USB模块连接i.MXRT的LPUART1或者使用USB Cable连接上USB_OTG1口后可以看到PC设备管理器会识别出相关设备：

让我们尝试一下使用sdphost与BootROM通信，先试一下USB通信:

PS C:\Flashloader_i.MXRT1050_GA\Flashloader_RT1050_1.1\Tools\sdphost\win> .\sdphost.exe -u 0x1fc9,0x0130 -- error-status

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再接着试一下UART通信，似乎通信失败了。需要注意的是，当使用USB通信过一次之后，BootROM已经激活USB外设，不会再去检测UART外设，如果想使用UART通信，需要将板子reset一次，使BootROM重回外设检测状态。

PS C:\Flashloader_i.MXRT1050_GA\Flashloader_RT1050_1.1\Tools\sdphost\win> .\sdphost.exe -p COM19 -- error-status
<div class="blockcode"><blockquote>getStatusResponse.readPacket error 5.
Status (HAB mode) = 10004 (0x2714) No response from device.

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关于sdphost其他命令具体如何组合使用，痞子衡会在后续的文章里再具体介绍。
2.3 mfgtool用法
MfgTool2.exe是GUI工具，其实际上是在sdphost工具基础上做了一层图形化封装，但功能上有一些削减，并且使用MfgTool2.exe仅能通过USB口与BootROM进行通信。
如果板子不连USB Cable，直接打开MfgTool2.exe，可看到如下界面，显示"No Device Connected"。

当板子连上USB Cable后可以看到状态变为"HID-compliant vendor-defined device"，这表明软件已可以正常使用。

从软件界面来看，似乎能控制的只有2个按钮：Start和Exit，那到底如何使用这个软件，其实秘密藏在如下两个配置文件里：

　　\Flashloader_i.MXRT1050_GA\Flashloader_RT1050_1.1\Tools\mfgtools-rel\cfg.ini
　　\Flashloader_i.MXRT1050_GA\Flashloader_RT1050_1.1\Tools\mfgtools-rel\Profiles\MXRT105X\OS Firmware\ucl2.xml

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cfg.ini文件用于指定GUI工具工作平台与模式（默认为chip = MXRT105X和name = MXRT105X-DevBoot），而ucl2.xml文件包含了不同模式的具体实现。以MXRT105x-DevBoot模式来说，点击Start按钮后，GUI会使用sdphost.exe与BootROM建立通信，首先用write-file命令将ivt_flashloader.bin文件下载进SRAM（地址是固定的0x20000000），然后使用jump-address命令跳转到Flashloader程序中去执行（Stage 1），GUI继续使用blhost.exe与Flashloader建立通信，先用get-property 1命令测试连接，然后使用receive-sb-file命令接收boot_image.sb文件。

<LIST name="MXRT105x-DevBoot" desc="Manufacturing with Flashloader">
<CMD state="BootStrap" type="boot" body="BootStrap" file="ivt_flashloader.bin" > Loading Flashloader. </CMD>
<CMD state="BootStrap" type="jump" onError = "ignore"> Jumping to Flashloader. </CMD>
<CMD state="Blhost" type="blhost" body="get-property 1" > Get Property 1. </CMD>
<CMD state="Blhost" type="blhost" timeout="15000" body="receive-sb-file "Profiles\\MXRT105X\\OS Firmware\\boot_image.sb"" > Program Boot image </CMD>
<CMD state="Blhost" type="blhost" body="Update Completed!">Done</CMD>
</LIST>

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关于blhost与sb文件的用法，痞子衡会在后续的文章里再具体介绍。
三、启动Flashloader程序
启动Flashloader是Serial Downloader模式的核心任务，其实在上一节mfgtool工具介绍里，大家已经看见了Flashloader的身影，但是GUI工具将Flashloader的启动操作封装得不太直观，这里痞子衡用sdphost为大家直观地再现一遍启动Flashloader的过程。
在\Flashloader_i.MXRT1050_GA\Flashloader_RT1050_1.1\Flashloader目录下，有Flashloader的可执行文件（.elf格式和.srec格式），但是sdphost仅能处理纯image数据文件（.bin格式），可使用IAR EWARM自带的ielftool.exe工具将elf文件转换成bin文件（命令为: ielftool --bin flashloader.elf flashloader.bin）。
得到flashloader.bin文件后，便可使用sdphost的write-file命令将flashloader.bin下载进SRAM，并且使用jump-address命令跳转到Flashloader程序中，但还需要解决两个问题：
第一个问题，该把flashloader.bin文件下载进SRAM的什么地址？其实这里的SRAM地址即是Flashloader程序的中断向量表所在地址，这个地址包含在elf文件里，可用专门的elf文件分析工具得到。也可以通过查看.srec或者.hex文件得到，由于包里自带了.srec文件，我们直接用文本编辑器打开.srec文件，可以得知这个地址是0x20002000。

S0130000666C6173686C6F616465722E737265638C
S31520002000705A2120914B01207B240020952E0120FF

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让我们开始将flashloader.bin下载进SRAM的0x20002000地址处：

<blockquote>PS C:\Flashloader_i.MXRT1050_GA\Flashloader_RT1050_1.1\Tools\sdphost\win> .\sdphost.exe -u 0x1fc9,0x0130 -- write-file 0x20002000 ..\..\..\Flashloader\flashloader.bin

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第二个问题，如何使用jump-address命令跳转到Flashloader程序中？痞子衡在前面sdphost命令列表里介绍过，jump-address只能跳转到含IVT头的image，现在image本身已经有了，但是IVT头是什么？用二进制编辑器打开\Flashloader_i.MXRT1050_GA\Flashloader_RT1050_1.1\Tools\mfgtools-rel\Profiles\MXRT105X\OS Firmware\ivt_flashloader.bin文件，可以发现除了前2KB之外的其他数据跟我们生成的flashloader.bin是一样的，那么IVT就藏在前8KB数据里，仔细看一下，你会发现除了偏移0x400的位置处有一些数据外，其余都是0，是的IVT就在那里。

offset(h)
00000000: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00000010: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
...
000003F0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00000400: D1 00 20 40 91 4B 01 20 00 00 00 00 00 00 00 00
00000410: 20 04 00 20 00 04 00 20 00 00 00 00 00 00 00 00
00000420: 00 00 00 20 B7 5F 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00000430: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
...
00001FF0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00002000: 70 5A 21 20 91 4B 01 20 7B 24 00 20 95 2E 01 20
00002010: 7B 24 00 20 7B 24 00 20 7B 24 00 20 00 00 00 00
...
00015FB0: 03 80 FF 71 00 70 08 -- -- -- -- -- -- -- -- --

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你可能会疑问，真正有用的IVT数据只有几十个字节，为什么ivt_flashloader.bin文件会留出8KB的空间来放IVT？这得分析IVT本身才能知道答案，让我们来尝试解析IVT，IVT的原型是如下的hab_ivt_v0结构体，一共32个byte，对应的是偏移0x400 - 0x41F处的数据，hab_ivt_v0.self = 0x20000400，由于此处self成员指定的IVT地址是0x20000400，而Flashloader本身地址是0x20002000，bin文件本身并不含地址信息数据，所以只能用0来填充占位以保证IVT数据与Flashloader数据的相对位置关系，这就是0x430 - 0x1FFF全是0的原因。hab_ivt_v0.boot_data =0x20000420，指明了boot data数据在0x420 - 0x42b处，boot_data结构体原型如下，一共12个byte，boot_data.start = 0x20000000，指明boot data应从0x20000000处开始存放，所谓boot data即IVT和image的统称，看到这，你应该明白了0x0 - 0x3FF处为何全是0的原因了吧。

#define HAB_TAG_IVT0 0xd1 /**< Image Vector Table V0 */
/** @ref hab_header structure */
typedef struct hab_hdr {
uint8_t tag; /**< Tag field */
uint8_t len[2]; /**< Length field in bytes (big-endian) */
uint8_t par; /**< Parameters field */
} hab_hdr_t;
/** @ref ivt structure */
struct hab_ivt_v0 {
/** @ref hdr with tag #HAB_TAG_IVT0, length and HAB version fields */
hab_hdr_t hdr;
/** Absolute address of the first instruction to execute from the image */
uint32_t entry;
/** Reserved in this version of HAB: should be NULL. */
uint32_t reserved1;
/** Absolute address of the image DCD: may be NULL. */
uint32_t dcd;
/** Absolute address of the Boot Data: may be NULL, but not interpreted any further by HAB */
uint32_t boot_data;
/** Absolute address of the IVT.*/
uint32_t self;
/** Absolute address of the image CSF.*/
uint32_t csf;
/** Reserved in this version of HAB: should be zero. */
uint32_t reserved2;
};
/** @ref boot_data structure */
typedef struct boot_data{
uint32_t start; /* Start address of the image */
uint32_t size; /* Size of the image */
uint32_t plugin; /* Plugin flag */
} BOOT_DATA_T;

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既然ivt_flashloader.bin文件里的前8KB有很多冗余数据，那不妨我们只把有效数据（IVT和boot data，0x400 - 0x42d处共44个byte）提取出来放到ivt_bootdata.bin文件里，让我们将ivt_bootdata.bin下载进SRAM的0x20000400地址处：

PS C:\Flashloader_i.MXRT1050_GA\Flashloader_RT1050_1.1\Tools\sdphost\win> .\sdphost.exe -u 0x1fc9,0x0130 -- write-file 0x20000400 ..\..\..\Flashloader\ivt_bootdata.bin

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刚才痞子衡只是为了讲解ivt与image的关系才分步将自己创建的flashloader.bin和ivt_bootdata.bin下载进SRAM，其实你可以直接将Flashloader包里现成的ivt_flashloader.bin下载进SRAM即可：

PS C:\Flashloader_i.MXRT1050_GA\Flashloader_RT1050_1.1\Tools\sdphost\win> .\sdphost.exe -u 0x1fc9,0x0130 -- write-file 0x20000000 ..\..\mfgtools-rel\Profiles\MXRT105X\OS Firmware\ivt_flashloader.bin

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到这里IVT和image均已经下载进SRAM了，可以跳转去执行Flashloader程序了，使用jump-address命令：