痞子衡嵌入式：飛思卡爾i.MX RTyyyy系列MCU啓動那些事（1）- Boot簡介

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　　你們好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給你們介紹的是飛思卡爾i.MX RTyyyy系列MCU的BootROM功能簡介。

　　截止目前爲止i.MX RTyyyy系列已公佈的芯片有三款i.MXRT105x, i.MXRT102x, i.MXRT106x，因此本文的研究對象即是這三款芯片，從參考手冊來看，這三款芯片的BootROM功能差異不大，因此一篇文章能夠歸納這三款芯片的BootROM特性。

1、Boot基本原理

1.1 從內部FLASH啓動

　　Boot是任何一款MCU都有的特性。說起Boot，首先應該聯想到的是FLASH，一般Cortex-M微控制器芯片內部通常都會集成FLASH（從FLASH分類上來看應該屬於Parallel NOR FLASH），你的Application代碼都是保存在FLASH裏，每次上電CPU會自動從FLASH裏獲取Application代碼並執行，這個行爲就是Boot。
　　你們都知道，ARM Cortex-M內存使用的是統一編址，32bit總線的地址空間是4GB (0x00000000 - 0xFFFFFFFF)。打開最新的Arm®v6/7/8-M Architecture Reference Manual手冊找到以下system address map表，你會發現ARM已經將這4GB空間內容給初步規劃好了，各ARM Cortex-M微控制器廠商在設計芯片時通常都會遵照ARM規定。

　　從上述system address map表中咱們能夠知道，ARM 4GB空間的前512MB(0x00000000 - 0x1FFFFFFF)規劃爲非易失性存儲器空間。看到這，你是否是明白了爲啥各大廠商生產的Cortex-M芯片內部FLASH地址老是從0x0開始，由於僅含FLASH的芯片上電啓動默認都是從0x0地址開始獲取Application的初始PC和SP開始Boot。

1.2 BootROM是什麼

　　你們是否是也會常常在芯片參考手冊裏看到BootROM的字眼，BootROM是什麼？BootROM實際上是芯片在出廠前固化在ROM裏的一段Bootloader程序。這個Bootloader程序能夠幫助你完成FLASH裏的Application的更新，而不須要使用額外的外部編程/調試器（好比JLink），除了Application更新以外，固然BootROM也能夠完成Application的啓動，Bootloader通常提供UART/SPI/I2C/USB接口與上位機進行通訊，與Bootloader配套使用的還有一個上位機軟件，當芯片從BootROM啓動後，經過這個上位機軟件與BootROM創建鏈接，而後能夠將你的Application代碼（bin/s19/hex格式）下載進芯片FLASH。
　　BootROM並非每一款MCU都有的。以飛思卡爾Kinetis系列MCU爲例，早期的Kinetis產品好比MKL25並不含ROM，第一款支持ROM的Kinetis芯片是2014年推出的MKL03，而恩智浦的LPC系列以及意法半導體的STM32系列MCU通常都是含ROM的。不一樣廠商芯片的ROM起始地址可能不同（Kinetis ROM通常從0x1c000000開始，LPC ROM通常從0x03000000開始，STM32 ROM結束地址是0x1FFFFFFF）。

1.3 Boot Mode選擇

　　當芯片既有ROM也有FLASH的時候，便會出現Boot位置選擇問題，標準術語稱爲Boot Mode。芯片上電CPU究竟是先從FLASH啓動仍是先從ROM啓動？關於這個問題，各芯片廠商的解決方案不同。
　　Kinetis的Boot Mode由FLASH偏移地址0x40d處的值（上電系統會自動將這個值加載到FTFx_FOPT寄存器中）以及NMI pin共同決定。LPC的Boot Mode由ISP[1:0]以及VBUS pins決定。STM32的Boot Mode由BOOT[1:0] pins決定。
　　下圖爲MK80的具體Boot Mode：


　　下圖爲LPC54114的具體Boot Mode：

　　下圖爲STM32F407的具體Boot Mode：

1.4 從內部SRAM啓動

　　SRAM存在於任何一款MCU中，它除了能夠保存Application數據變量外，固然也能夠存放Application代碼以供CPU執行。可是SRAM是易失性存儲器，存放的數據斷電會丟失，因此從SRAM啓動跟從FLASH/ROM啓動性質不同。
　　從FLASH/ROM啓動屬於一級啓動，不依賴除了Boot Mode選擇以外的條件；而從SRAM啓動屬於二級啓動，其須要藉助裸芯片自己以外的外力引導一下才能完成。外力引導的方式有兩種：一是藉助於外部調試器，直接將Application下載進SRAM並將PC指向Application開始執行，其實這就是所謂的在SRAM調試；二是藉助於事先存儲在FLASH/ROM中的Bootloader程序，Bootloader會將存放在FLASH（或其餘非易失性存儲器，或者從上位機直接接收）中的Application先加載到SRAM裏而後Jump過去執行。

1.5 從外部存儲器啓動

　　有些MCU並無內部FLASH，因此會支持外接存儲器，常見的外部存儲器有QSPI NOR/NAND, SD/eMMC, SDRAM, Parallel NOR/NAND, SPI/I2C EEPROM等，MCU內部集成相應的存儲器接口控制器，經過接口控制器能夠輕鬆訪問這些外部存儲器。一個沒有內部FLASH的MCU確定會有ROM（BootROM），由於必需要藉助BootROM才能Boot存儲在外部存儲器的Application，因此從外部存儲器啓動也屬於二級啓動。
　　那麼怎麼理解從外部存儲器啓動？須要弄明白如下幾個問題：
　　第一個問題：從外部NOR FLASH存儲器啓動（好比QSPI NOR/Parallel NOR/EEPROM）跟從內部FLASH啓動有什麼區別？最大的區別是從外部NOR FLASH啓動本質上屬於二級啓動，其沒法像內部FLASH那樣直接啓動，須要由Bootloader引導。即便技術上能夠作到存儲在外部NOR FLASH裏的Application可以原地執行（XIP），但也須要Bootloader完成外部NOR FLASH的初始化以及XIP相關配置。
　　第二個問題：從外部NAND FLASH存儲器啓動（好比QSPI NAND/Parallel NAND/SD/eMMC）跟從NOR FLASH啓動有什麼區別？最大的區別是NAND FLASH沒法像NOR FLASH那樣能夠XIP執行，這是由NAND FLASH原理決定的，由於NAND FLASH是按Page訪問的而且容許壞塊的存在，這意味着CPU沒法直接從NAND FLASH取指和執行，必須先由Bootloader將存放在NAND FLASH中的Application先所有拷貝到內部SRAM中，而後從SRAM啓動執行。
　　第三個問題：從外部SDRAM存儲器啓動跟從內部SRAM啓動有什麼區別？這裏其實區別倒不大，兩個都是易失性存儲器，都沒法直接啓動，不過SRAM是直接掛在系統bus上，而SDRAM是掛在存儲器接口控制器上，然後者須要Bootloader去作初始化。

2、i.MXRTyyyy Boot

　　在第一部分裏講了Boot基本原理以及各類Boot方式，那麼i.MXRTyyyy Boot到底屬於哪種？在回答這個問題以前咱們先看一下i.MXRT102x的system memory map（i.MXRT105x也相似，區別是ITCM/DTCM/OCRAM的size是512KB）。

　　從memory map裏能夠看到，i.MXRTyyyy支持存儲類型一共有三種：一是96KB的ROM（即BootROM）、二是總容量3*256KB的RAM（OCRAM/DTCM/ITCM）、三是分配給外部存儲器接口控制器（SEMC/QSPI）的2GB區域。看到這裏你應該明白了，i.MXRTyyyy Boot方式主要是藉助BootROM從外部存儲器加載Application到內部SRAM/外部SDRAM/原地XIP執行。
　　那麼i.MXRTyyyy到底支持從哪些外部存儲器加載啓動呢？翻看i.MXRTyyyy的參考手冊裏的System Boot章節，能夠看到i.MXRT啓動支持如下6種外部存儲器：

• Serial(Multi-IO) NOR Flash via FlexSPI
• Serial(Multi-IO) NAND Flash via FlexSPI
• Parallel NOR Flash via SEMC
• RAW NAND Flash via SEMC
• SD/MMC via uSDHC
• Serial(1-bit SPI) NOR/EEPROM via LPSPI

　　其中Serial/Parallel NOR這兩種Device能夠XIP，其餘4種Device沒法XIP，須要拷貝到內部RAM或外接SDRAM裏運行。關於具體如何從這6種Device啓動，痞子衡下篇文章接着聊。

　　至此，飛思卡爾i.MX RTyyyy系列MCU的BootROM功能痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裏~~~