i.MX RT从串行EEPROM／NOR的救援启动

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在上期文章“i.MX RT的救援启动机制"中，我们介绍了救援启动和怎么用工具配置，今天让我们更详细地探讨一下从串行存储器启动的更多细节。

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从串行EEPROM/NOR实行救援启动。

以前痞子衡介绍的Boot Device，都属于主动启动的Primary Boot Device（串行NOR/NAND, 并行NOR/NAND， SD/eMMC），试想一下如果遇到这样的情况，你选择启动的某个Primary Boot Device，正常工作一段时间后，某次开机突然因为某种未知原因无法启动了，此时系统无法正常工作，你一定希望系统能够有容错/鲁棒能力，即使这种场合下也能够保证基本工作，那应该怎么做？

别担心，i.MX RT的BootROM提供了一种解决方案，即Recovery Boot机制，BootROM支持串行EEPROM/NOR作为Recovery Boot Device，你只需要将备份应用代码事先放进Recovery Boot Device即可，任何主动启动的Primary Boot Device启动失败，BootROM会自动启动Recovery Boot Device中的备份应用代码，保证系统能正常工作，是不是觉得这种安排很贴心？今天痞子衡就为大家介绍Recovery Boot。


一、支持的串行EEPROM/NOR

i.MX RT支持加载救援启动的主要是1位SPI接口的EEPROM，除此以外市面上有些串行(QSPI)NOR也兼容EEPROM命令集（即1bit read/normal read模式），所以这些QSPI NOR也能被i.MX RT用作救援启动。

串行EEPROM/NOR厂商非常多，对应串行EEPROM/NOR芯片型号也很多，如果你在选型时，不确定到底该为i.MXRT选择哪一款串行EEPROM/NOR时，可选用下面三款芯片，痞子衡均实测过：

Onsemi CAT25512HU5I-GT3
(EEPROM, 1-bit SPI, 20MHz, 128B Page/512Kb Device)

Micron MT25QL128ABA1ESE-OSIT
(NOR Flash, Multiple I/O, 133MHz-STR, 64B Page/4-32-64KB Sector/128Mb Device)

Spansion S25FL129P
(NOR Flash, Multiple I/O, 80MHz, 256B Page/4-8-64-256KB Sector/128Mb Device)

注解：
       1.BootROM固定使用SPI Mode(0,0)（即CPOL=0, CPHA=0）去访问外部EEPROM/NOR。

       2.BootROM主要支持2bytes（存储范围为4Kb - 512Kb） / 3bytes（存储范围为1Mb - 128Mb）地址的外部EEPROM/NOR。


二、串行EEPROM/NOR的硬件连接

确定了串行EEPROM/NOR芯片选型后，便进入串行EEPROM/NOR硬件电路设计及与i.MX RT的信号连接环节。

i.MX RT对于串行EEPROM/NOR的底层接口支持，是通过内部LPSPI这个模块实现，i.MX RT内部一共有4个LPSPI，BootROM支持所有者4组LPSPI，具体pinmux如下：

下面是典型的SPI EEPROM硬件连接设计，示例EEPROM芯片是CAT25512HU5I-GT3，标准1位SPI，直接连接即可:

如下是典型的QSPI NOR硬件连接设计，示例NOR芯片是MT25QL128ABA1ESE-OSIT，该NOR芯片为Multiple I/O，数据线为DQ[3:0]，当用作1-bit SPI模式时，仅需连接DQ[1:0]：

三、串行EEPROM/NOR加载启动过程

确保串行EEPROM/NOR硬件相关设计无误之后，便是下载更新Bootable Image进串行EEPROM/NOR，以供BootROM加载启动了，在下载Bootable image之前有必要先了解串行EEPROM/NOR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(elftosb/.bd) 里，在最后已经介绍过non-XIP image加载启动过程，这个过程其实已经充分地描述了串行 EEPROM/NOR的加载启动过程。

有了non-XIP image加载启动的背景知识，串行EEPROM/NOR的加载启动过程便是上电之后，在主动选择的Primary Boot Device启动失败之后，BootROM会从串行EEPROM/NOR起始地址处加载initial image数据(4KB)，再根据initial image里的IVT、Boot Data获取应用代码的起始地址以及总长度，然后再将应用代码全部拷贝到相应SRAM里去启动，其过程如下图所示：

四、下载应用代码

理解了串行EEPROM/NOR加载启动过程，我们便可以开始使用Flashloader下载应用代码到串行EEPROM/NOR芯片中：

痞子衡在启动系列文章的第四篇 Flashloader初体验(blhost) ，和第六篇 Bootable image格式与加载(elftosb/.bd) 里分别介绍了Flashloader的基本使用，以及如何将你的应用代码制作成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，正要开始将Bootable image下载进串行EEPROM/NOR。

串行EEPROM/NOR也支持configuration block，只不过configuration block对于BootROM救援启动而言不是必需的，configuration block结构原型是下面的spi_nor_eeprom_config_t，在本文里暂不使能configuration block。

//! @brief Serial NOR/EEPROM peripheral Config block structure
typedef struct __spi_nor_eeprom_peripheral_config
{
    uint8_t spiIndex;     //!< Index of SPI module
    uint8_t spiPcsx;      //!< PCS instance of SPI module
    uint8_t reserved0[2]; //!< Reserved0
    uint32_t spiSpeed_Hz; //!< SPI transfer speed to connected NOR/EEPROM
} spi_nor_eeprom_peripheral_config_t;


//! @brief Serial NOR/EEPROM Config block structure
typedef struct __serial_nor_eeprom_config
{
    uint8_t memoryType;                           //!< Determines the connected memory type
    uint8_t addressLengthInBits;                   //!< Nor/Eeprom address length
    uint8_t waitTime;                              //!< Wait time before read
    uint8_t reserved0;                             //!< Reserved0
    uint32_t memorySizeInBytes;                    //!< Nor/Eeprom memory size
    uint32_t pageSizeInBytes;                      //!< Nor/Eeprom page size
    uint32_t sectorSizeInBytes;                    //!< Nor/Eeprom sector size
    serial_nor_eeprom_command_set commandSet;      //!< Nor/Eeprom command set
} serial_nor_eeprom_config_t;


//! @brief Serial NOR/EEPROM Config block structure
typedef struct __spi_nor_eeprom_config
{
    uint32_t tag;                                 //!< [0x000-0x003]
    uint32_t version;                            //!< [0x004-0x007]
    spi_nor_eeprom_peripheral_config_t spiConfig; //!< [0x008-0x00f]
    serial_nor_eeprom_config_t memoryConfig;      //!< [0x010-0x02b]
} spi_nor_eeprom_config_t;
那么到底怎么样将Bootable image数据下载进串行EEPROM/NOR中呢？当然还是靠Flashloader工具，我们只需要提供简化的8字节配置数据即可。

下面是一个下载更新示例（该示例适用于串行NOR芯片MT25QL128ABA1ESE-OSIT）：

// 在SRAM里临时存储Serial EEPROM/NOR配置数据
blhost -p COMx -- fill-memory 0x2000 0x4 0xC1100500 // SPI1, PCS0, NOR Flash, 256B Page, 4KB Sector, 16MB Device
blhost -p COMx -- fill-memory 0x2004 0x4 0x00000000 // 20MHz SPI Speed

// 使用Serial EEPROM/NOR配置数据去配置SPI接口
blhost -p COMx -- configure-memory 0x110 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8字节配置数据，然后通过config-memory将这8字节数据里的信息，配置到Flashloader的串行EEPROM/NOR接口中，实际上这2个命令成功执行后，你就可以开始使用Flashloader下载Bootable image了。

那么这8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8byte数据提供的配置信息主要是SPI连接以及EEPROM/NOR Device属性配置。configure-memory命令执行成功之后，底下image的下载很简单，只需要将Bootable image从串行EEPROM/NOR起始地址开始下载即可，具体步骤如下：

// 擦除Serial EEPROM/NOR并将image下载进Serial EEPROM/NOR
blhost -p COMx -- flash-erase-region 0x0 0x20000 0x110
blhost -p COMx -- write-memory 0x0 ivt_image.bin 0x110

Bootable image下载成功之后，我们可以试着用read-memory从串行EEPROM/NOR芯片里读回IVT、BootData、应用代码确认一下，Bootable image起始地址在0x0，那么IVT、BootData应该在0x400，应用代码应该在0x2000：

至此，应用代码的下载工作便结束了。


五、进入救援启动模式

应用代码已经被成功下载进串行EEPROM/NOR芯片之后，此时我们便可以开始设置芯片从串行EEPROM/NOR启动：

在进入Boot Device选择之前，你首先需要设置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。或者也可以设置BOOT_MODE[1:0]=2'b00，即芯片处于Boot From Fuses模式，并且将BT_FUSE_SEL（eFUSE偏移0x460处的32bit配置数据的bit4）烧写为1'b1，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。串行EEPROM/NOR属于Recovery Boot Device，并不是可以主动选择启动的Boot device，所以并没有BOOT_CFG pin或者eFUSE，来配置选择直接从串行EEPROM/NOR启动，如果想验证从串行EEPROM/NOR启动是否能成功，你需要确保当前BOOT_CFG/eFUSE决定的Primary Boot Device中没有Bootable image。

六、配置eFUSE启动串行EEPROM/NOR

设置好芯片启动模式是从串行EEPROM/NOR启动之后，我们还需要最后关注一下与串行EEPROM/NOR相关的具体特性配置：

串行EEPROM/NOR的配置相对还是比较简单的，只有4部分：Recovery Boot Enable、SPI Speed、SPI addressing、SPI Port。

其中Recovery Boot Enable是一定要开启的，SPI Port要根据板级线路设计而定，SPI addressing根据选用的串行EEPROM/NOR型号而定，SPI Speed是唯一的可以自由配置的选项（当然不能超过所选串行EEPROM/NOR的最高速度）。

七、几个注意事项

       1.市面上基本大于64KB的QSPI NOR，均兼容EEPROM命令集（即1bit read/normal read模式）。

       2.虽然从串行EEPROM/NOR启动的设计目的是用于recovery boot，但如果你硬要将串行EEPROM/NOR作为系统里的唯一Boot Device，也不是不可以。这时你需要在板级设计时，考虑与Primary Boot Device连接的i.MX RT相关引脚，在上电时的电平转换（BootROM总是会尝试先启动Primary Boot Device）的影响。

上述所有步骤全部完成并复位芯片之后，你就应该能看到放在串行EEPROM/NOR里的应用代码，已经正常地启动了。

至此，恩智浦i.MX RT系列MCU的串行EEPROM/NOR救援启动的相关内容，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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