通用MCU Bootloader - KBOOT的配置选项

NXP管管 · 发表于 2020-1-14 11:18:05

通用MCU Bootloader - KBOOT的配置选项

　　KBOOT是支持配置功能的，配置功能可分为两方面：一、芯片系统的启动配置；二、KBOOT特性配置；痞子衡在前一篇文章里介绍了 KBOOT形态(ROM/Bootloader/Flashloader)，虽然KBOOT有三种形态，但实际上只有2种类型的芯片载体，即含ROM空间的芯片（比如Kinetis K80）和不含ROM空间的芯片（比如Kinetis KL25），KBOOT配置在这两种载体上是有区别的，下面痞子衡为大家详解KBOOT配置：

一、启动配置：FTFx_FOPT, BOOT Pin, RCM_FM
　　芯片系统的启动配置主要决定的是芯片上电从哪里（ROM/Flash）开始启动，所以这个启动配置对于含ROM空间的芯片特别重要，而不适用于不含ROM空间的芯片。

1.1 启动方式选择Flash Configuration Field - FOPT
　　熟悉Kinetis芯片的朋友肯定知道，Kinetis芯片都是含内部Flash的，内部Flash起始地址一般是0x00000000，Flash操作是通过FTFx这个IP模块实现的，如果你对FTFx模块了解的话，这个IP模块内部其实有一些寄存器属性是readonly的，并且从手册里看这些readonly寄存器的初值是undefined，截取K80芯片FTFA模块中这些readonly寄存器如下：

既然这些寄存器是readonly属性并且初值又是undefined的，那么其初值到底取决于什么？这里就涉及到Kinetis芯片中比较特别的FCF加载机制，FCF即Flash Configuration Field，其区域地址为Flash偏移0x400 - 0x40f，一共16个bytes，这16bytes内容组织如下：

任何一次热启动后，芯片系统会自动从FCF区域加载初值进FTFx相应寄存器中，我们主要关注的是跟启动配置相关的FTFx_FOPT寄存器（特别注意，当FCF中对应FOPT的值是无效值0x00时，在加载过程中芯片自动会给FOPT赋值0xFF），下面是FTFx_FOPT寄存器的bit定义，其中BOOTSRC_SEL和BOOTPIN_OPT位是关键（注意这两个位在不含ROM空间的芯片上是reserved的）。

任何一次热启动后，芯片系统会自动从FCF区域加载初值进FTFx相应寄存器中，我们主要关注的是跟启动配置相关的FTFx_FOPT寄存器（特别注意，当FCF中对应FOPT的值是无效值0x00时，在加载过程中芯片自动会给FOPT赋值0xFF），下面是FTFx_FOPT寄存器的bit定义，其中BOOTSRC_SEL和BOOTPIN_OPT位是关键（注意这两个位在不含ROM空间的芯片上是reserved的）。

　BOOTSRC_SEL和BOOTPIN_OPT的值共同决定了芯片的启动位置（ROM/Flash）：

BOOTPIN_OPT = 1: 启动位置完全由BOOTSRC_SEL决定。

BOOTPIN_OPT = 0: 启动位置由BOOTSRC_SEL和BOOTCFG0 pin共同决定。

　　因此当在FCF里指定FOPT为0xFF时，芯片上电永远从ROM启动；当在FCF里指定FOPT为0x3F时，芯片上电永远从Flash启动。

1.2 启动位置切换BOOT Pin
　　在1.1节的最后痞子衡提到了BOOTCFG0 pin，其实BOOTCFG0 pin对于含ROM空间芯片而言就是BOOT Pin，这个BOOT Pin是芯片系统直接指定的，与NMI pin复用（在上电以及ROM执行过程中，NMI pin原本中断功能是被屏蔽的）。

　　你一定会疑惑BOOT pin有什么用？让我们再回到1.1节的最后，0x3F和0xFF是两种比较典型的FOPT启动配置值，但是这种配置值指定的是固定启动位置，除非你擦除FCF重新烧写，不然无法轻易改变启动位置。但是有的时候我们想在不擦除FCF情况下自由切换启动位置ROM/Flash，这时候就得依靠BOOT Pin，此时我们需要在FCF里指定FOPT为0x3D，让我们结合下面的TWR-K80F150M原理图来说明：

　在上述TWR-K80F150M原理图中，我们可以看到两个按键开关（SW2,SW1）分别连到了K80芯片的NMI_b pin和RESET_b pin，当我们配置FOPT为0x3D时，即启动位置由BOOTSRC_SEL（2'b00，即从Flash启动）和BOOTCFG0（NMI）共同决定，如果在RESET_b pin（SW1）按下复位过程中，BOOTCFG0 pin（SW2）一直被按下，那么芯片会从ROM启动（并且超时也不会跳转到Application）；而如果BOOTCFG0 pin（SW2）没有被按下，那么芯片会从Flash启动。是不是瞬间觉得这样切换启动位置很方便！
　　其实BOOT Pin设计不仅仅只在含ROM空间的芯片上存在，在不含ROM空间的芯片上也支持，只不过在不含ROM空间的芯片上，BOOT Pin是由Bootloader代码指定的（需要查看芯片手册Bootloader章节或源代码），我们知道当芯片不含ROM时，上电默认从Flash起始地址处启动，而Flash起始地址已被Flash-Resident Bootloader占据，所以上电永远执行Flash-Resident Bootloader，此时BOOT Pin的意义主要是决定是否要超时跳转到Application，如果BOOT Pin在RESET_b pin按下复位过程中一直被按下，那么芯片将会一直停留在Bootloader中；如果BOOT Pin没有被按下，那么芯片在执行Bootloader超时时间到了之后会跳转到Application。

1.3 强制从ROM热启动RCM_FM

　　我们知道芯片复位启动分为冷启动（POR Pin）和热启动（RESET_b Pin），冷启动是最为彻底的启动（所有寄存器初值全部重置），而热启动并不是彻底启动（有些寄存器初值不会重置），RCM模块里有1个寄存器（RCM_FM）就只有冷启动才能被重置，而且这个寄存器与从ROM启动息息相关，不得不提。下面是RCM_FM和RCM_MR寄存器的bit定义：

上述两个寄存器只在含ROM空间的芯片上存在，其作用是为了保证ROM在执行期间即使不小心发生热启动，下一次还是会强制执行ROM程序，而不受FOPT, BOOT Pin状态变化影响。ROM程序里操作RCM_FM/MR寄存器使能了这一强制ROM启动功能，具体代码如下：

// ROM statrup过程中调用的函数void SystemInit (void){ // ...
// Set Force ROM bits in RCM. We only set bit 2, so the RCM_MR register doesn't // falsely show that the ROM was booted via boot pin assertion. RCM->FM = RCM_FM_FORCEROM(2);
// ...}
// ROM跳转到Application之前调用的函数void shutdown_cleanup(bool isShutdown){ // ...
// Disable force ROM. RCM->FM = RCM_FM_FORCEROM(0);
// Clear status register (bits are w1c). RCM->MR = RCM_MR_BOOTROM(3);
// ...}

复制代码

　　因为ROM里有了上述代码，所以只要芯片上电执行过ROM程序，除非是ROM主动跳转到了Application或者发生了冷启动，否则任何与ROM有关的配置修改操作都不会影响到下一次启动ROM的执行，这种机制可以确保Application一定会被ROM下载进Flash。

二、特性配置：BCA

　　除了启动配置外，KBOOT还支持特性配置，我们知道KBOOT提供的特性功能非常多，比如支持的外设种类丰富、超时时间可设、Application完整性校验、USB ID可设、运行时钟可配、加密特性支持、QSPI启动支持，这些特性可以通过BCA来配置，BCA是Bootloader Configuration Area的简称，KBOOT通过从BCA区域加载用户配置数据完成这些特性配置。BCA配置结构体原型如下（以K80芯片为例）：

//! @brief Format of bootloader configuration data on Flash.
typedef struct BootloaderConfigurationData
{
uint32_t tag; //!< [00:03] Tag value used to validate the BCA data. Must be set to 'kcfg'.
uint32_t crcStartAddress; //!< [04:07]
uint32_t crcByteCount; //!< [08:0b]
uint32_t crcExpectedValue; //!< [0c:0f]
uint8_t enabledPeripherals; //!< [10:10]
uint8_t i2cSlaveAddress; //!< [11:11]
uint16_t peripheralDetectionTimeoutMs; //!< [12:13] Timeout in milliseconds for peripheral detection before jumping to application code
uint16_t usbVid; //!< [14:15]
uint16_t usbPid; //!< [16:17]
uint32_t usbStringsPointer; //!< [18:1b]
uint8_t clockFlags; //!< [1c:1c] High Speed and other clock options
uint8_t clockDivider; //!< [1d:1d] One's complement of clock divider, zero divider is divide by 1
uint8_t bootFlags; //!< [1e:1e] One's complemnt of direct boot flag, 0xFE represents direct boot
uint8_t pad0; //!< [1f:1f] One's complemnt of direct boot flag, 0xFE represents direct boot
uint32_t mmcauConfigPointer; //!< [20:23] Holds a pointer value to the MMCAU configuration
uint32_t keyBlobPointer; //!< [24:27] Holds a pointer value to the key blob array used to configure OTFAD
uint8_t reserved[8]; //!< [28:2f] Reserved.
uint32_t qspi_config_block_pointer; //!< [30:33] QSPI config block pointer.
} bootloader_configuration_data_t;

复制代码

　如果你想配置KBOOT的特性，必须按上述结构体格式准备好配置数据，具体数据值所代表含义请查看芯片手册Bootloader章节，痞子衡在后续文章里也会慢慢讲到。此处假设你已经准备好了BCA数据，那么这个BCA数据应该放在哪里呢？其实KBOOT已经指定好了BCA位置，见如下代码，BCA起始地址固定在APP_VECTOR_TABLE地址偏移0x3c0处，对于ROM Bootloader而言，BCA地址就是0x3c0，因为APP_VECTOR_TABLE=0；而对于Flash-Resident Bootloader而言，BCA地址是Bootloader指定的Application起始地址偏移0x3c0处。

//! @brief Flash constants.
enum _flash_constants
{
//! @brief The bootloader configuration data location .
//!
//! A User Application should populate a BootloaderConfigurationData
//! struct at 0x3c0 from the beginning of the application image which must
//! be the User Application vector table for the flash-resident bootloader
//! collaboration.
kBootloaderConfigAreaAddress = (uint32_t)(APP_VECTOR_TABLE) + 0x3c0
};

复制代码

最后再解释一下BCA地址为何是APP_VECTOR_TABLE + 0x3c0，我们知道ARM Cortex-M系统规定Application前1KB（0x0 - 0x3FF）应放中断向量表，Cortex-M最大支持256个中断，其中前16个是系统中断，后240个是外设中断，而Cortex-M厂商生产的芯片一般用不满240个外设中断，所以其实中断向量表后半部分其实是reserved的，因此我们可以把reserved区域里的0x3C0 - 0x3FF这64bytes用作BCA配置。

作者：痞子衡

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