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[分享] [痞子衡]可以从SD/eMMC卡启动的MCU了解一下?

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    发表于 2022-5-16 17:50:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
    可以从SD/eMMC卡启动的MCU了解一下?


    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恩智浦i.MXRTxxx系列MCU的SD/eMMC卡启动。


    关于 i.MXRT 启动设备,痞子衡之前写过很多篇文章,都是关于串并行 NOR/NAND Flash。相信对于 Flash 的原理和读写擦访问,玩 MCU 的朋友一定不会陌生,但是说到让 MCU 从 SD/eMMC 卡启动,估计很多人都是一脸懵,这个在 MCU 世界里没怎么见过啊。


    从 SD/eMMC 启动其实在 MPU(应用处理器) 世界里非常常见,因为其更换应用程序的便利性,以及文件系统的广泛支持。恰好 i.MXRT 系列又是引领跨界风潮的 MCU,所以支持从 SD/eMMC 启动在 i.MXRT 上就显得那么自然和合理。话不多说,今天痞子衡就带你见识一下:


    一、支持的SD/eMMC
    i.MXRTxxx 系列内部有一个名为 uSDHC 的强大外设,通过它能够访问 MMC/SD/SDIO 三类卡,BootROM 里关于 SD/eMMC 的启动支持就是借助这个 uSHDC 外设:
    1. • Conforms to the SD Host Controller Standard Specification version 2.0/3.0
    2. • Compatible with the MMC System Specification version 4.2/4.3/4.4/4.41/4.5/5.0
    3. • Compatible with the SD Memory Card Specification version 3.0 and supports the Extended Capacity SD Memory Card
    4. • Compatible with the SDIO Card Specification version 2.0/3.0
    5. • Designed to work with SD Memory, miniSD Memory, SDIO, miniSDIO, SD Combo, MMC, MMC plus, and MMC RS cards
    6. • Card bus clock frequency up to 208 MHz.
    7. • Supports 1-bit / 4-bit SD and SDIO modes, 1-bit / 4-bit / 8-bit MMC modes.
    复制代码
    11.png
    仅对于 uSDHC 接口启动而言,选择 SD/eMMC 操作流程是差不多的。因为 i.MXRT500 BootROM 仅支持 eMMC 设备,而 i.MXRT600 BootROM 同时支持 SD 和 eMMC 设备,所以本文主要就以 i.MXRT600 从 eMMC 启动为例来具体介绍今天的主题。i.MXRT600 BootROM 主要实现了以下的 eMMC 类型卡支持:
    1. (e)MMC 卡类型:
    2. • eMMC Version 5.0 or earlier version.
    3. • MMC Version 4.4 or earlier version.
    4. (e)MMC 卡模式.
    5. • eMMC/MMC: 4-bit/8-bit; full speed SDR(26MHz), high speed SDR/DDR(52MHz).
    6. • eMMC Version 4.4 or later version: fast boot is supported.
    复制代码
    因为官方 MIMXRT685-EVK 上并没有 eMMC 芯片,痞子衡找了块内部使用的 RT600_BGA176_Chip_RevB0_Rev.C 板卡来做测试,这块板卡上在 i.MXRT600 uSDHC0 上连接了一颗来自 Kioxia 的 THGBMNG5D1LBAIT 芯片(eMMC 5.0,容量 4GB,最高速率 400MB/s)。


    二、SD/eMMC硬件连接
    i.MXRT500/600 内部都有 2 个 uSDHC 模块(注:uSDHC1 可能在一些小封装上没有引出),BootROM 支持如下 pinmux(适用RT500/600)来连接 SD/eMMC 卡去启动。i.MXRT500 上这两组 uSDHC 都可以连 eMMC(仅 uSDHC0 支持 HS400 模式),i.MXRT600 上这两组 uSDHC 也都可以连接 SD/eMMC:
    12.png
    如下是 RT600_BGA176_Chip_RevB0_Rev.C 板上 eMMC 连接设计:
    13.png
    三、SD/eMMC加载启动过程
    SD/eMMC 设备本质上属于 NAND,而 NAND 天生不支持 XiP,所以在 SD/eMMC 中仅能放置 Non-XIP Application(链接到内部 SRAM 或者 外部 RAM 空间),并且 SD/eMMC 又已经简化了 NAND 访问,因此从 SD/eMMC 启动加载流程其实跟 《从 Serial(1-bit SPI) NOR恢复启动》 加载流程差不多的(参考文章第 3 小节)。


    i.MXRTxxx BootROM 给全部支持的设备定义了统一的 Application 偏移地址。对于 eMMC 设备,起始偏移一般要存放系统 main boot record (MBR),因此需要让开,所以 BootROM 会从偏移 0x1000 地址处(byte address, block index 8)读取 image header 数据(一共64个字节),找到其中的 imageLength 和 imageLoadAddress ,这样就知道了 Application 加载起始地址以及总长度,然后再将 Application 全部拷贝到相应 SRAM 里去启动。
    14.png
    四、下载Application进SD/eMMC
    理解了 SD/eMMC 加载启动过程,我们便可以开始使用 BootROM 的 Serial ISP 模式去下载 Application 进 SD/eMMC 设备中。痞子衡在启动系列文章的第三篇 《Serial ISP模式(blhost)》) 里介绍了 Serial ISP 模式的使用,现在假定你已经制作好一个 Bootable image 并且使用 blhost 工具与 BootROM 的 Serial ISP 模式建立了基本通信,正要开始将 Bootable image 下载进 SD/eMMC 设备。


    此时我们只需要提供简化的 8byte 数据就可以完成 SD/eMMC 设备的配置,下面是一种 Application 下载更新示例(该示例适用于 uSDHC0 接口连接的 THGBMNG5D1LBAIT):


    // 在 SRAM 里临时存储 eMMC 配置数据
    blhost -u 0x1fc9,0x0020 -- fill-memory 0x10C000 0x4 0xC0010100 // 4bit SDR, Normal Speed
    blhost -u 0x1fc9,0x0020 -- fill-memory 0x10C004 0x4 0x0        // uSDHC0, 3.3V


    // 使用 eMMC 配置数据去配置 uSDHC0 接口
    blhost -u 0x1fc9,0x0020 -- configure-memory 0x121 0x10C000
    在上述示例里痞子衡首先使用了 fill-memory 命令在 0x10C000 地址处暂存了 8byte 配置数据,然后通过 config-memory 将这 8byte 数据里的信息配置到 uSDHC0 接口中,实际上这 2 个命令成功执行后,你就可以开始使用 Serial ISP 命令下载 Bootable image 了。那么这 8byte 配置数据到底是怎么组织的?详见下表:
    15.png
    16.png
    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 eMMC 连接以及属性配置。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 eMMC 偏移 0x1000 地址处开始下载即可,具体步骤如下:


    // 擦除 eMMC 并将 image 下载进 eMMC
    blhost -u 0x1fc9,0x0020 -- flash-erase-region 0x0 0x20000 0x121
    blhost -u 0x1fc9,0x0020 -- write-memory 0x1000 bt_image.bin 0x121
    如果你觉得手动敲命令行太麻烦,也可以使用 MCUBootUtility 工具(v3.5及以上)来完成上述操作:
    17.png
    五、进入SD/eMMC启动模式
    Application 已经被成功下载进 eMMC 芯片之后,此时我们便可以开始设置芯片从 eMMC 启动,结合 ISP pin 以及 OTP 里 PRIMARY_BOOT_SRC[3:0] 设置,一共有如下选择(下表适用 i.MXRT600)。本次测试我们无需烧录 OTP,只需要将 ISP[2:0] 设为 3'b100 - SDIO 0 (eMMC) 即可。
    18.png
    19.png
    六、配置OTP启动SD/eMMC
    设置好芯片启动模式是从 eMMC 备份启动之后,我们还需要最后关注一下与 eMMC 相关的具体特性配置:


    SD/eMMC 配置主要集中在主芯片内部 OTP BOOT_CFG[2] 和  BOOT_CFG[3] 区域里,下面是最主要的 BOOT_CFG[2 配置(下表适用 i.MXRT600),默认全 0 值适用 3.3V eMMC 设备且工作在 4bit SDR Normal Speed 模式,这个默认配置可以直接用于本次测试,因此我们无需烧写 OTP(当然有需要的话改为 8bit 更快速度模式也是可以的)。
    20.png
    上述所有步骤全部完成之后,复位芯片你就应该能看到你放在 eMMC 里的 Application 已经正常地启动了。


    至此,恩智浦i.MXRTxxx系列MCU的SD/eMMC卡启动痞子衡便介绍完毕了,掌声在哪里~~~

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