i.MX RT系列MCU启动那些事（8）- 从Raw NAND启动

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i.MX RT没有内置Flash，只有一块ROM区用于启动系统，并运行放在片外存储器中的代码。本站将连载痞子衡撰写的，关于i.MX RT产品启动相关的一系列文章，下面是系列中的第六篇。点击下面链接阅读前六篇：

(1) - Boot简介

(2) - Boot配置(BOOT Pin/eFUSE)

(3) - 串行下载模式

(4) - Flashloader初体验(5) - 再聊eFUSE及其烧写方法

(6) - Bootable image格式与加载

(7) - 掉队了，追赶中...

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恩智浦i.MX RT系列MCU的Raw NAND启动。

前面铺垫了七篇启动系列文章，终于该讲具体Boot Device了。

我们知道i.MX RT支持的外部Boot Device共有6种(Serial NOR&NAND、Parallel NOR&NAND、SD/eMMC、SPI NOR/EEPROM)，其中最常用的是Serial NOR&NAND，目前各大社区里讨论最火的也是Serial NOR/NAND启动，有不少大神(硬汉eric2013, jicheng0622)已经写过关于Serial NOR&NAND启动的文章，写得非常好，这让痞子衡非常有压力，因此痞子衡决定第一篇Boot Device写较常用但还没有人写过的Raw(Parallel) NAND启动，大家是不是很期待？（请配合说“是”），好，话不多说，开讲


一、支持的Raw NAND。


开门见山，i.MX RT支持加载启动的主要是兼容ONFI 1.0标准的Asynchronous SLC Raw NAND，至于数据线宽度，x8,x16都支持(一般x8应用比较多)。关于Raw NAND基本知识请先看一下痞子衡的另一篇文章”并行接口NAND标准(ONFI)及SLC Raw NAND简介“，本文后续的很多内容均是基于充分了解Raw NAND的前提下开展的。

注解1: ONFI是最流行的NAND标准，ONFI 1.0仅针对50MB/s低速Async SDR模式NAND，从ONFI 2.x开始逐步引入133MB/s、166MB/s、200MB/s高速Sync模式NAND的支持，从ONFI 3.x开始又引入400MB/s、533MT/s（NV-DDR2）更高速NAND的支持，从ONFI 4.x开始更是加入了667MT/s、800MT/s、1066MT/s、1200MT/s（NV-DDR3）超高速NAND的支持。
注解2: 关于NAND还有一个JEDEC标准JESD230，该标准是JEDEC与ONFI组织合作制定的，主要是定义了Async SDR、Sync DDR, Toggle DDR模式NAND的互操作性。JESD230标准版本可与ONFI 3.1及其之后的版本相对应。

Raw NAND厂商非常多，对应Raw NAND芯片型号也很多，如果你在选型时不确定到底该为i.MX RT选择哪一款Raw NAND时，可选用下面五款芯片，痞子衡均实测过：
Macronix MX30LF4GE8AB-TI  （x8 bits, 2KB Page/128KB Block/4Gb Device,  0bit ECC, 3.3V）
Micron MT29F4G08ABBDAWP   （x8 bits, 2KB Page/128KB Block/4Gb Device,  4bit ECC, 1.8V）
Micron MT29F4G08ABAFAWP （x8 bits, 2KB Page/128KB Block/4Gb Device,  4bit ECC, 3.3V）
Micron MT29F16G08ABACAWP:C （x8 bits, 4KB Page/512KB Block/16Gb Device, 4bit ECC, 3.3V）
Winbond W29N01GVSIAA       （x8 bits, 2KB Page/128KB Block/1Gb Device,  1bit ECC, 3.3V）


二、Raw NAND硬件连接
确定了Raw NAND芯片选型后，接下来便进入Raw NAND硬件电路设计及与i.MX RT的信号连接环节：

i.MX RT对于Raw NAND的底层接口支持，是通过内部SEMC这个IP实现的，如下是SEMC的内部模块图。图中我们可以看到，从内部数据总线来看，SEMC支持AXI Bus/IP Bus两种(此两种方式会在后续eFUSE配置里看到)，而从外部接口来看，SEMC最多能支持五种设备(SDRAM, NAND, NOR, SRAM, 8080 Display)，NAND是其中一种。

虽然SEMC最多能支持五种设备，但并不是同时支持的，同一时刻仅能支持一种设备，因此SEMC接口信号必然是复用的，下表是SEMC接口复用表。

关于NAND接口信号，需要特别说一下的是CE#信号，从表中我们可以看到，NAND的CE6#信号有5个，即有5种配置选择，但i.MX RT的BootROM固定选择的是SEMC_CSX[0]，这点在设计NAND硬件连接时需要特别注意。

如下是典型的NAND硬件连接设计，示例NAND芯片是MX30LF4GE8AB-TI(经典的TSOP-48封装，芯片丝印上的L表明其是3.3V供电)，其中WP#信号没有使能，并且供电选择同时支持3.3V和1.8V(通过R302选择，此处应连2-3)。有朋友会疑问，为什么此处要留有2路不同供电电压？因为后期方便我们更换不同的供电输入的NAND芯片。

三、Raw NAND加载启动过程


确保Raw NAND硬件相关设计无误之后，接下来便是下载更新Bootable Image进Raw NAND，以便BootROM加载启动了。

在下载Bootable image之前有必要先了解Raw NAND的加载启动过程：

痞子衡在启动系列文章的第六篇Bootable image格式与加载的最后，已经介绍过non-XIP image加载启动过程，但实际上那个过程对于存储在外部NAND Flash中Bootable image而言，还是介绍得不够全面，欠缺FCB/DBBT的处理流程。

你肯定会疑问FCB/DBBT是什么？这得从NAND与NOR差异说起，我们知道NOR Flash中所有空间都必须是可用的(即不允许有坏块)，这意味着NOR Flash中的Bootable image数据，是可以按指定地址连续存放的(即所谓的线性存储)，并且应用程序可以原地XIP执行。但是NAND Flash中常常是有坏块的(出厂坏块，使用中产生坏块)，这就导致NAND可用空间地址不可预知，并且有可能不连续，因此存储在NAND中的Bootable image数据极有可能并不是连续存放的，并且Bootable image实际存储的起始地址，也不一定就是指定的起始地址(即所谓的非线性存储)。

举例来说，如果NAND的block大小为128KB，Firmware(即Bootable Image)大小为260KB，我们指定从NAND地址0x40000处(即block index = 2)开始存储Firmware，但是很不幸的是index为2、4的block均是坏块，那么实际上Firmware被分散存储在了index为3、5、6三个block中，为了将来能正确地从NAND中读回Firmware，我们需要额外记录至少两个信息，一是指定的Firmware起始存储地址0x40000，二是NAND中坏块信息block index 2、4。FCB/DBBT就是用来记录这些额外的信息。

FCB大小为1KB，其主要记录了Firmware信息(地址，长度，份数)，以及DBBT地址信息。DBBT大小为1056bytes，其记录了NAND芯片中所有的坏块个数以及位置，DBBT即所谓的坏块表。

FCB/DBBT最多可有两份，实际应用中一般只用一份即可，后面介绍均以一份FCB/DBBT为例讲解，FCB0永远从NAND地址0x0处(即index为0的block中的第1个Page)开始存放，DBBT0一般放在index为n的block里(其实n是可设的，这在后面使用Flashloader时会讲到，为求简单我们常常设n=1)，Firmware 0一般放在index为n+1的block里(Firmware只允许从index为n+1的block及其之后开始存放，Firmware最多可以有8份)。关于FCB/DBBT结构原型，后续会进一步介绍。

四、下载应用程序至Raw NAND


理解了Raw NAND加载启动过程，我们便可以开始使用Flashloader下载应用程序至Raw NAND芯片中：

痞子衡在启动系列文章的第四篇Flashloader初体验和第六篇Bootable image格式与加载里，分别介绍了Flashloader的基本使用，以及如何将你的应用程序制作成Bootable image，后续内容假定你已经制作好一个Bootable image，并且使用blhost工具与Flashloader建立了基本通信，将要开始将Bootable image下载进Raw NAND。

前面讲过Raw NAND中除了要有Bootable image(Firmware)之外，还需要有FCB/DBBT，并且FCB/DBBT在Raw NAND中存储的位置，是比Bootable image靠前的，因此你遇到的第一个问题便是如何下载FCB/DBBT进Raw NAND？

首先来看FCB和DBBT的原型，如下semc_nand_fcb_t是FCB原型，semc_nand_dbbt_t是DBBT原型：

FCB/DBBT结构体开头都是12字节的semc_bcb_header_t，这个bcb header由Tag、Version、CRC Checksum(CRC32-MPEG2)组成，用于验证FCB/DBBT的完整性。

semc_nand_fcb_t.DBBTSerachAreaStartPage标明DBBT所在位置；semc_nand_fcb_t.searchStride和semc_nand_fcb_t.searchCount用于存在2份FCB/DBBT时，标明第二份位置(此处我们仅用一份，所以searchCount设为1，searchStride的值不用管)；semc_nand_fcb_t.firmwareCopies记录Firmware总份数，semc_nand_fcb_t.firmwareTable标明所有Firmware具体位置；semc_nand_fcb_t.nandConfig是Raw NAND的configuration block，大小为256字节，记录Raw NAND特性参数。

semc_nand_dbbt_t.badBlockNumber记录坏块总个数，semc_nand_dbbt_t.badBlockTable标明所有坏块具体位置。

#define SEMC_NAND_BAD_BLOCKS_MAX_NUM 256
#define SEMC_NAND_FW_MAX_NUM 8

#define SEMC_NAND_FCB_TAG 0x4E464342U    //!< ASCII: "NFCB"
#define SEMC_NAND_FCB_VERSION 0x00000001  //!< Version: 1.0
#define SEMC_NAND_DBBT_TAG 0x44424254U    //!< ASCII: "DBBT"
#define SEMC_NAND_DBBT_VERSION 0x00000001 //!< Version: 1.0

typedef struct_nand_firmware_info
{
    uint32_t startPage;
    uint32_t pagesInFirmware;
} nand_firmware_info_t;

typedef struct _semc_bcb_header
{
    uint32_t crcChecksum; //!< [0x000-0x003]
    uint32_t fingerprint; //!< [0x004-0x007]
    uint32_t version;     //!< [0x008-0x00b]
} semc_bcb_header_t;

typedef struct __semc_nand_config
{
    semc_mem_config_t memConfig;      //!< [0x000-0x04f]
    uint8_t vendorType;               //!< [0x050-0x050]
    uint8_t cellTechnology;
    uint8_t onfiVersion;
    uint8_t acTimingTableIndex;
    uint8_t enableEccCheck;          //!< [0x054-0x054]
    uint8_t eccCheckType;
    uint8_t deviceEccStatus;
    uint8_t swEccAlgorithm;
    uint32_t swEccBlockBytes;         //!< [0x058-0x05b]
    uint8_t readyCheckOption;         //!< [0x05c-0x05c]
    uint8_t statusCommandType;        //!< [0x05d-0x05d]
    uint16_t readyCheckTimeoutInMs;   //!< [0x05e-0x05f]
    uint16_t readyCheckIntervalInUs; //!< [0x060-0x061]
    uint8_t reserved0[30];            //!< [0x062-0x07f]
    uint8_t userOnfiAcTimingModeCode; //!< [0x080-0x080]
    uint8_t reserved1[31];            //!< [0x081-0x09f]
    uint32_t bytesInPageDataArea;    //!< [0x0a0-0x0a3]
    uint32_t bytesInPageSpareArea;
    uint32_t pagesInBlock;
    uint32_t blocksInPlane;           //!< [0x0ac-0x0af]
    uint32_t planesInDevice;          //!< [0x0b0-0x0b3]
    uint32_t reserved2[19];           //!< [0x0b4-0x0ff]
} semc_nand_config_t;

{
    semc_bcb_header_t bcbHeader;                              //!< [0x000-0x00b]
    uint32_t DBBTSerachAreaStartPage;                         //!< [0x00c-0x00f]
    uint16_t searchStride;                                    //!< [0x010-0x011]
    uint16_t searchCount;                                     //!< [0x012-0x013]
    uint32_t firmwareCopies;                                  //!< [0x014-0x017]
    uint32_t reserved0[10];                                   //!< [0x018-0x03f]
    nand_firmware_info_t firmwareTable[SEMC_NAND_FW_MAX_NUM]; //!< [0x040-0x07f]
    uint32_t reserved1[32];                                   //!< [0x080-0x0ff]
    semc_nand_config_t nandConfig;                            //!< [0x100-0x1ff]
    uint32_t reserved2[128];                                  //!< [0x200-0x3ff]
} semc_nand_fcb_t;

typedef struct _semc_nand_dbbt
{
    semc_bcb_header_t bcbHeader;                         //!< [0x000-0x00b]
    uint32_t reserved0;                                   //!< [0x00c-0x00f]
    uint32_t badBlockNumber;                              //!< [0x010-0x013]
    uint32_t reserved1[3];                               //!< [0x014-0x01f]
    uint32_t badBlockTable[SEMC_NAND_BAD_BLOCKS_MAX_NUM]; //!< [0x020-0x41f]
} semc_nand_dbbt_t;
知道了FCB/DBBT结构，那么怎么生成FCB/DBBT数据并且下载进Raw NAND什么地址处呢？当然我们可以手工创建FCB/DBBT并将其下载到Raw NAND中，但其实Flashloader工具会帮我们自动做好大部分工作，即生成FCB/DBBT，将FCB/DBBT下载到Raw NAND中。而我们只需要提供简化的12字节配置数据即可。

如果你还有印象的话，痞子衡在启动系列文章的第四篇Flashloader初体验的最后，介绍过下载更新应用程序示例(该示例适用NAND芯片MX30LF4GE8AB-TI)：

// 在SRAM里临时存储Raw NAND配置数据
blhost -u -- fill-memory 0x2000 0x4 0xD0010101 // ONFI 1.0, non-EDO, Timing mode 0, 8bit IO, CSX0, HW ECC Check, inital HW ECC is enabled
blhost -u -- fill-memory 0x2004 0x4 0x00010101 // image copy = 1, search stride = 1, search count = 1
blhost -u -- fill-memory 0x2008 0x4 0x00020001 // Firmware block index = 2, block count = 1

// 使用Raw NAND配置数据去配置Raw NAND接口
blhost -u -- configure-memory 0x100 0x2000



在上述示例里痞子衡首先使用了fill-memory命令，在0x2000地址处暂存了12字节配置数据，然后通过config-memory将这12字节数据里的信息，配置到Flashloader的Raw NAND接口中。实际上成功执行这4个命令后，FCB/DBBT就已经被下载进Raw NAND里面了。

那么这12字节配置数据到底是怎么组织的？详见下表：

从上表我们可以知道，其实这12字节数据提供的配置信息还是比较多的，涵盖NAND配置、FCB配置、Image配置，但是与FCB/DBBT原本的数据结构相比已经大幅精简，我们还可以再进一步简化，这12字节里真正需要注意的只有四个地方：ECC status、ECC Type、IO Port Size和EDO mode，其余可用默认配置。

由于此处我们示例NAND芯片为MX30LF4GE8AB-TI，查看NAND芯片手册可知其是x8 IO且没有HW ECC，那么IO Port Size需设2'b01(即x8)；ECC type、ECC status分别可设1'b1、1'b0(HW ECC Check，initial HW ECC is enabled，其实这样设在没有HW ECC的NAND芯片上的意思是不使能ECC Check)；EDO mode可设1'b0(即non-EDO模式)。

configure-memory命令执行成功之后，我们可以试着用read-memory从NAND芯片里读回FCB和DBBT确认一下。

示例NAND芯片MX30LF4GE8AB-TI的page size为2KB，block size为128KB，那么FCB应该在0x0处，DBBT应该在0x20000处。从0x0处读回1KB数据发现其确实是有效的FCB，从FCB里找到其中DBBTSerachAreaStartPage = 0x40，即DBBT放在index为64的Page里(即index为1的Block起始Page里)，再从0x20000处读回1056bytes数据发现其也确实是有效的DBBT。

解决了第一个问题即FCB/DBBT问题，还有另一个问题便是image应该如何下载进Raw NAND？

其实image的下载很简单，只需要将Bootable image从index为2的block里(与FCB里的firmwareTable[0].startPage对应)开始下载即可，示例NAND芯片MX30LF4GE8AB-TI的block size为128KB，则下载地址应为0x40000，具体步骤如下：

// 擦除Raw NAND并将image下载进Raw NAND
blhost -u -- flash-erase-region 0x40000 0x20000 0x100    // Erase 1 block starting from block 2
blhost -u -- write-memory 0x40000 ivt_image.bin 0x100    // Program ivt_image.bin to block 2
Bootable image下载成功之后，同样我们可以试着用read-memory从NAND芯片里读回IVT、BootData和应用程序代码确认一下。Bootable image起始地址在0x40000，那么IVT和BootData应该在0x40400，应用程序代码应该在0x42000，查看数据发现确实是有效的Bootable image。

你可能会疑问，NAND的读写操作一般都是按page的，为何我们使用read-memory命令提供的地址参数可以不按page对齐？其实Flashloader内部会有page缓存区，Flashloader底层对NAND的访问是按page进行的，并缓存在内部page缓存区，接口上层来读写NAND数据实际是在page缓存区进行的，所以不受page对齐限制。

五、进入Raw NAND启动模式


应用程序代码已经被成功下载进Raw NAND芯片之后，此时我们便可以开始设置芯片从Raw NAND启动：

在进入Boot Device选择之前，你首先需要确定BOOT_MODE[1:0]=2'b10，即芯片处于Internal Boot模式，并且确认BT_FUSE_SEL(eFUSE偏移0x460处的32bit配置数据的bit4)为1'b0，这里看不懂的朋友请温习痞子衡前面的文章Boot配置(BOOT Pin/eFUSE)。
设置好正确Boot模式后，再来选择Boot Device，Boot Device由BOOT_CFG1[7:4]这四个引脚的输入状态决定，下图是RT105x/RT106x硬件板的参考设计，拨码开关SW6应拨向SW_DIP-8的7,8,11，即设置BOOT_CFG[7:4]=4'b001x(4'b001x适用于i.MXRT105x/i.MXRT106x，对于i.MXRT102x此值应为4'b01xx)，此时便进入了从SEMC NAND启动模式。

如果想确保i.MX RT芯片一定正在从Raw NAND启动，可在芯片上电时使用Jlink调试器或者借助Flashloader读取芯片内部2个寄存器的值，这2个寄存器分别是SRC_SBMR1/2，我们设的关于启动模式的BOOT_MODE pins/BOOT_CFG pin/eFUSE，偏移0x450配置值在上电时会自动加载到SRC_SBMR1/2寄存器里，BootROM主要是根据SRC_SBMR1/2寄存器的值来判断启动模式的。

PS: BOOT_MODE[1:0]也可以设为2'b00，即芯片处于Boot From Fuses模式，但此时稍微繁琐一点，需要将BT_FUSE_SEL(eFUSE偏移0x460处的32bit配置数据的bit4)烧写为1'b1，和BOOT_CFG1[7:4](eFUSE偏移0x450处的32bit配置数据的bit7:4)烧写成4'b001x(适用于i.MXRT105x/i.MXRT106x)。


六、配置eFUSE启动Raw NAND


设置好芯片启动模式是从Raw NAND启动之后，我们还需要最后关注一下与Raw NAND相关的具体特性配置：

你应该记得我们在使用Flashloader下载应用程序的时候，提供过12字节的NAND配置数据，这12字节的NAND配置数据是为了让Flashloader，能够正确初始化Raw NAND接口去访问NAND芯片(主要是写FCB、DBBT、Bootable image)。同样BootROM上电也需要初始化Raw NAND接口，去访问NAND芯片(主要是读FCB、DBBT、Bootable image)。

所以BootROM也需要类似这12字节的NAND配置数据，而BootROM的NAND配置，便放在如下的eFUSE区域里(i.MXRT105x/i.MXRT102x是一样的，i.MXRT106x与i.MXRT105x比有细微调整)。与Flashloader一样，这部分配置里真正需要注意的，也只有四个地方：ECC status、ECC Type、IO Port Size和EDO mode，其余可用默认配置(即0值)。

七、几个注意事项


i.MX RT105x A0版本与A1版本的BootROM有很大区别，本文内容仅适用于A1版本。

实测发现i.MX RT105x需要使能EDO模式方可访问NAND(默认是AXI方式)，而i.MX RT106x则不需要使能EDO模式。

配置数据(Flashloader的12字节/BootROM的eFUSE)里关于ECC的两处配置：ECC status和ECC Type，需根据实际连接的NAND芯片而定，不可随意设置。
3.1 对于没有硬件ECC的NAND芯片，可有两种设置组合：一、ECC Type=HW，ECC status=Enabled(即不用ECC check)；二、ECC Type=SW，ECC status=x(即使用SW ECC check)。
3.2 对于含有硬件ECC且默认是使能的NAND芯片，仅有一种设置组合：一、ECC Type=HW，ECC status=Enabled(即使用HW ECC check)。
3.3 对于含有硬件ECC且默认没使能的NAND芯片，可有两种设置组合：一、ECC Type=SW，ECC status=x(即使用SW ECC check)；二、ECC Type=HW，ECC status=Disabled(即使用HW ECC check，BootROM会自动使用set-feature命令开启硬件ECC，目前仅支持Micron的NAND芯片)。

上述所有步骤全部完成之后，复位芯片之后就应该能看到你放在Raw NAND里的应用程序已经正常地启动了。

至此，恩智浦的i.MX RT系列MCU的Raw NAND启动痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~


作者：痞子衡   文章出处：恩智浦MCU加油站

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