痞子衡嵌入式：飛思卡爾i.MX RTyyyy系列MCU啓動那些事（8）- 從Raw NAND啓動

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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Raw NAND啓動。

　　前面鋪墊了七篇啓動系列文章，終於該講具體Boot Device了，咱們知道i.MXRTyyyy支持的外部Boot Device共有6種（Serial NOR&NAND、Parallel NOR&NAND、SD/eMMC、SPI NOR/EEPROM），其中最經常使用的是Serial NOR&NAND，目前各大社區裏討論最火的也是Serial NOR/NAND啓動，有很多大神(硬漢eric2013, jicheng0622)已經寫過關於Serial NOR&NAND啓動的文章，寫得很是好，這讓痞子衡很是有壓力，所以痞子衡決定第一篇Boot Device寫較經常使用但尚未人寫過的Raw(Parallel) NAND啓動，你們是否是很期待？（請配合說「是」），好，話很少說，開講。

1、支持的Raw NAND

　　開門見山，i.MXRT支持加載啓動的主要是兼容ONFI 1.0標準的Asynchronous SLC Raw NAND，至於數據線寬度，x8,x16都支持(通常x8應用比較多)。關於Raw NAND基本知識請先看一下痞子衡的另外一篇文章 並行接口NAND標準(ONFI)及SLC Raw NAND簡介，本文後續的不少內容均是基於充分了解Raw NAND的前提下開展的。

Note1: ONFI是最流行的NAND標準，ONFI 1.0僅針對50MB/s低速Async SDR模式NAND，從ONFI 2.x開始逐步引入133MB/s、166MB/s、200MB/s高速Sync模式NAND的支持，從ONFI 3.x開始又引入400MB/s、533MT/s（NV-DDR2）更高速NAND的支持，從ONFI 4.x開始更是加入了667MT/s、800MT/s、1066MT/s、1200MT/s（NV-DDR3）超高速NAND的支持。
Note2: 關於NAND還有一個JEDEC標準JESD230，該標準是JEDEC與ONFI組織合做制定的，主要是定義了Async SDR、Sync DDR, Toggle DDR模式NAND的互操做性。JESD230標準版本可與ONFI 3.1及其以後的版本相對應。

　　Raw NAND廠商很是多，對應Raw NAND芯片型號也不少，若是你在選型時不肯定到底該爲i.MXRT選擇哪一款Raw NAND時，可選用下面五款芯片，痞子衡均實測過：

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:D       （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）

2、Raw NAND硬件鏈接

　　肯定了Raw NAND芯片選型後，底下便進入Raw NAND硬件電路設計及與i.MXRT的信號鏈接環節：

　　i.MXRT對於Raw NAND的底層接口支持是經過內部SEMC這個IP實現的，以下是SEMC的內部模塊圖，從圖中咱們能夠看到，從內部數據總線來看SEMC支持AXI Bus/IP Bus兩種（此兩種方式會在後續eFUSE配置裏看到），而從外部接口來看SEMC最多能支持五種設備（SDRAM, NAND, NOR, SRAM, 8080 Display），NAND是其中一種。

　　雖然SEMC最多能支持五種設備，但並非同時支持的，同一時刻僅能支持一種設備，所以SEMC接口信號必然是複用的，下表是SEMC接口複用表，關於NAND接口信號，須要特別說一下的是CE#信號，從表中咱們能夠看到NAND的CE6#信號有5個，即有5種配置選擇，但i.MXRT BootROM固定選擇的是SEMC_CSX[0]，這點在設計NAND硬件鏈接時須要特別注意。

　　以下是典型的NAND硬件鏈接設計，示例NAND芯片是MX30LF4GE8AB-TI（經典的TSOP-48封裝，芯片絲印上的L代表其是3.3V供電），其中WP#信號沒有使能，而且供電選擇同時支持3.3V和1.8V（經過R302選擇，此處應連2-3），有朋友會疑問，爲何此處要留有2路不一樣供電電壓？由於後期方便咱們更換不一樣的供電輸入的NAND芯片。

3、Raw NAND加載啓動過程

　　確保Raw NAND硬件相關設計無誤以後，底下即是下載更新Bootable Image進Raw NAND以供BootROM加載啓動了，在下載Bootable image以前有必要先了解Raw NAND的加載啓動過程：

　　痞子衡在啓動系列文章的第六篇 Bootable image格式與加載(elftosb/.bd) 裏的最後已經介紹過non-XIP image加載啓動過程，但實際上那個過程對於存儲在外部NAND Flash中Bootable image而言仍是介紹得不夠全面，欠缺FCB/DBBT的處理流程，你確定會疑問FCB/DBBT是什麼？這得從NAND與NOR差別提及，咱們知道NOR Flash中全部空間都必須是可用的（即不容許有壞塊），這意味着NOR Flash中的Bootable image數據是能夠按指定地址連續存放的（即所謂的線性存儲），而且Application能夠原地XIP執行；可是NAND Flash中經常是有壞塊的（出廠壞塊，使用中產生壞塊），這就致使NAND可用空間地址不可預知而且有可能不連續，所以存儲在NAND中的Bootable image數據極有可能並非連續存放的，而且Bootable image實際存儲的起始地址也不必定就是指定的起始地址（即所謂的非線性存儲）。
　　舉例來講，若是NAND的block大小爲128KB，Firmware（即Bootable Image）大小爲260KB，咱們指定從NAND地址0x40000處（即block index = 2）開始存儲Firmware，可是很不幸的是index爲二、4的block均是壞塊，那麼實際上Firmware被分散存儲在了index爲三、五、6三個block中，爲了未來能正確地從NAND中讀回Firmware，咱們須要額外記錄至少兩個信息，一是指定的Firmware起始存儲地址0x40000，二是NAND中壞塊信息block index 二、4。FCB/DBBT就是用來記錄這些額外的信息。
　　FCB大小爲1KB，其主要記錄了Firmware信息（地址，長度，份數），以及DBBT地址信息。DBBT大小爲1056bytes，其記錄了NAND芯片中全部的壞塊個數以及位置，DBBT即所謂的壞塊表。FCB/DBBT最大可有兩份，實際應用中通常只用一份便可，後面介紹均以一份FCB/DBBT爲例講解，FCB0永遠從NAND地址0x0處（即index爲0的block中的第1個Page）開始存放，DBBT0通常放在index爲n的block裏（其實n是可設的，這在後面使用Flashloader時會講到，爲求簡單咱們經常設n=1），Firmware 0通常放在index爲n+1的block裏（Firmware只容許從index爲n+1的block及其以後開始存放，Firmware最大能夠有8份）。關於FCB/DBBT結構原型，後續會進一步介紹。

　　有了前面的背景知識，NAND的加載啓動過程即是上電以後，BootROM先從NAND起始地址處獲取FCB0數據，再根據FCB0裏的信息獲取DBBT0數據以及Firmware 0起始地址，底下便進入跟NOR Flash同樣的加載過程，只不過在加載Firmware 0的過程當中須要根據DBBT0壞塊表信息自動跳過壞塊。若是在讀取Firmware 0時，發現部分Firmware數據所在的block是一個壞塊，可是這個block沒有被記錄在DBBT0中，這說明該壞塊是新產生的（該新壞塊信息會在下一次下載Application時記錄在新DBBT中），存在該壞塊中的Firmware數據被破壞了，Firmware 0便失效了，BootROM便會嘗試按一樣的流程去加載Firmware 一、2...7，直到找到有效的Firmware，這就是爲何在NAND中存儲多份Firmware的意義。

4、下載Application進Raw NAND

　　理解了Raw NAND加載啓動過程，咱們即可以開始使用Flashloader下載Application進Raw NAND芯片中：

　　痞子衡在啓動系列文章的第四篇 Flashloader初體驗(blhost) 和第六篇 Bootable image格式與加載(elftosb/.bd) 裏分別介紹了Flashloader的基本使用以及如何將你的Application製做成Bootable image，後續內容假定你已經制做好一個Bootable image而且使用blhost工具與Flashloader創建了基本通訊，正要開始將Bootable image下載進Raw NAND。
　　前面講過Raw NAND中除了要有Bootable image（Firmware）以外，還須要有FCB/DBBT，而且FCB/DBBT在Raw NAND中存儲的位置是比Bootable image靠前的，所以你遇到的第一個問題即是如何下載FCB/DBBT進Raw NAND？
　　首先來看FCB和DBBT的原型，以下semc_nand_fcb_t是FCB原型，semc_nand_dbbt_t是DBBT原型：
　　FCB/DBBT結構體開頭都是12bytes的semc_bcb_header_t，這個bcb header由Tag、Version、CRC Checksum（CRC32-MPEG2）組成，用於驗證FCB/DBBT的完整性。
　　semc_nand_fcb_t.DBBTSerachAreaStartPage標明DBBT所在位置；semc_nand_fcb_t.searchStride和semc_nand_fcb_t.searchCount用於存在2份FCB/DBBT時標明第二份位置（此處咱們僅用一份，因此searchCount設爲1，searchStride的值不用管）；semc_nand_fcb_t.firmwareCopies記錄Firmware總份數，semc_nand_fcb_t.firmwareTable標明全部Firmware具體位置；semc_nand_fcb_t.nandConfig是Raw NAND的configuration block，大小爲256bytes，記錄Raw NAND特性參數。
　　semc_nand_dbbt_t.badBlockNumber記錄壞塊總個數，semc_nand_dbbt_t.badBlockTable標明全部壞塊具體位置。

#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;

typedef struct _semc_nand_fcb
{
    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結構，那麼怎麼生成FCB/DBBT數據而且下載進Raw NAND什麼地址處呢？固然咱們能夠手工建立FCB/DBBT並將其下載到Raw NAND中，但其實Flashloader工具會幫咱們自動作好大部分工做（生成FCB/DBBT，將FCB/DBBT下載到Raw NAND中），而咱們只須要提供簡化的12byte配置數據便可。若是你還有印象的話，痞子衡在啓動系列文章的第四篇 Flashloader初體驗(blhost) 的最後介紹過下載更新Application示例（該示例適用NAND芯片MX30LF4GE8AB-TI）：

// 在SRAM裏臨時存儲Raw NAND配置數據
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配置數據去配置Raw NAND接口
blhost -u -- configure-memory 0x100 0x2000

　　在上述示例裏痞子衡首先使用了fill-memory命令在0x2000地址處暫存了12byte配置數據，而後經過config-memory將這12byte數據裏的信息配置到Flashloader的Raw NAND接口中，實際上這4個命令成功執行後，FCB/DBBT就已經被下載進Raw NAND裏面了。那麼這12byte配置數據究竟是怎麼組織的？詳見下表：

　　從上表咱們能夠知道，其實這12byte數據提供的配置信息仍是比較多的，涵蓋NAND配置、FCB配置、Image配置，可是與FCB/DBBT本來的數據結構相比已經大幅精簡，咱們還能夠再進一步簡化，這12byte裏真正須要注意的只有四個地方（ECC status、ECC Type、IO Port Size、EDO mode），其他可用固定配置。因爲此處咱們示例NAND芯片爲MX30LF4GE8AB-TI，查看NAND芯片手冊可知其是x8 IO且沒有HW ECC，那麼IO Port Size需設2'b01（即x8），ECC type、ECC status分別可設1'b一、1'b0（HW ECC Check，initial HW ECC is enabled，其實這樣設在沒有HW ECC的NAND芯片上的意思是不使能ECC Check），EDO mode可設1'b0（即non-EDO模式）。
　　configure-memory命令執行成功以後，咱們能夠試着用read-memory從NAND芯片裏讀回FCB,DBBT確認一下，示例NAND芯片MX30LF4GE8AB-TI的page size爲2KB，block size爲128KB，那麼FCB應該在0x0處，DBBT應該在0x20000處，從0x0處讀回1KB數據發現其確實是有效的FCB，從FCB裏找到其中DBBTSerachAreaStartPage = 0x40，即DBBT放在index爲64的Page裏（即index爲1的Block起始Page裏），再從0x20000處讀回1056bytes數據發現其也確實是有效的DBBT。

　　解決了第一個問題即FCB/DBBT問題，還有另外一個問題即是image應該如何下載進Raw NAND？
　　其實image的下載很簡單，只須要將Bootable image從index爲2的block裏（與FCB裏的firmwareTable[0].startPage對應）開始下載便可，示例NAND芯片MX30LF4GE8AB-TI的block size爲128KB，則下載地址應爲0x40000，具體步驟以下：

// 擦除Raw NAND並將image下載進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下載成功以後，一樣咱們能夠試着用read-memory從NAND芯片裏讀回IVT,BootData,Application確認一下，Bootable image起始地址在0x40000，那麼IVT,BootData應該在0x40400，Application應該在0x42000，查看數據發現確實是有效的Bootable image。你可能會疑問，NAND的讀寫操做通常都是按page的，爲什麼咱們使用read-memory命令提供的地址參數能夠不按page對齊？其實Flashloader內部會有page緩存區，Flashloader底層對NAND的訪問是按page進行的，並緩存在內部page緩存區，接口上層來讀寫NAND數據實際是在page緩存區進行的，因此不受page對齊限制。

　　至此，Application的下載工做便結束了。

5、進入Raw NAND啓動模式

　　Application已經被成功下載進Raw NAND芯片以後，此時咱們即可以開始設置芯片從Raw NAND啓動：

　　在進入Boot Device選擇以前，你首先須要肯定BOOT_MODE[1:0]=2'b10，即芯片處於Internal Boot模式，而且確認BT_FUSE_SEL（eFUSE偏移0x460處的32bit配置數據的bit4）爲1'b0，這裏看不懂的朋友請溫習痞子衡前面的文章 Boot配置(BOOT Pin/eFUSE)。
　　設置好正確Boot模式後，再來選擇Boot Device，Boot Device由BOOT_CFG1[7:4]這四個pin的輸入狀態決定，下圖是RT105x/RT106x硬件板的參考設計，撥碼開關SW6應撥向SW_DIP-8的7,8,11，即設置BOOT_CFG[7:4]=4'b001x（4'b001x適用於i.MXRT105x/i.MXRT106x，對於i.MXRT102x此值應爲4'b01xx），此時便進入了從SEMC NAND啓動模式。

　　若是想確保i.MXRT芯片必定正在從Raw NAND啓動，可在芯片上電時使用Jlink調試器或者藉助Flashloader讀取芯片內部2個寄存器的值，這2個寄存器分別是SRC_SBMR1/2, 咱們設的關於啓動模式的BOOT_MODE pins/BOOT_CFG pin/eFUSE偏移0x450配置值在上電時會自動加載到SRC_SBMR1/2寄存器裏，BootROM主要是根據SRC_SBMR1/2寄存器的值來判斷啓動模式的。

　　PS: BOOT_MODE[1:0]也能夠設爲2'b00，即芯片處於Boot From Fuses模式，但此時稍微繁瑣一點，須要將BT_FUSE_SEL（eFUSE偏移0x460處的32bit配置數據的bit4）燒寫爲1'b1和BOOT_CFG1[7:4]（eFUSE偏移0x450處的32bit配置數據的bit7:4）燒寫成4'b001x（適用於i.MXRT105x/i.MXRT106x）。

6、配置eFUSE啓動Raw NAND

　　設置好芯片啓動模式是從Raw NAND啓動以後，咱們還須要最後關注一下與Raw NAND相關的具體特性配置：

　　你應該記得咱們在使用Flashloader下載Application的時候提供過12bytes的NAND配置數據，這12bytes的NAND配置數據是爲了讓Flashloader可以正確初始化Raw NAND接口去訪問NAND芯片（主要是寫FCB,DBBT,Bootable image），一樣BootROM上電也須要初始化Raw NAND接口去訪問NAND芯片（主要是讀FCB,DBBT,Bootable image），因此BootROM也須要相似這12bytes NAND配置數據，而BootROM的NAND配置便放在以下的eFUSE區域裏（i.MXRT105x/i.MXRT102x是同樣的，i.MXRT106x與i.MXRT105x比有細微調整），與Flashloader同樣這部分配置裏真正須要注意的也只有四個地方（ECC status、ECC Type、IO Port Size、EDO mode），其他可用初始配置（即0值）。

7、幾個注意事項

1. i.MXRT105x A0版本與A1版本的BootROM有很大區別，本文內容僅適用於A1版本。
2. 實測發現i.MXRT105x須要使能EDO模式方可訪問NAND（默認是AXI方式），而i.MXRT106x則不須要使能EDO模式。
3. 配置數據（Flashloader的12bytes/BootROM的eFUSE）裏關於ECC的2處配置（ECC status、ECC Type）需根據實際鏈接的NAND芯片而定，不可隨意設置。
   3.1 對於沒有硬件ECC的NAND芯片，可有兩種設置組合：1、ECC Type=HW，ECC status=Enabled（即不用ECC check）；2、ECC Type=SW，ECC status=x（即便用SW ECC check）。
   3.2 對於含有硬件ECC且默認是使能的NAND芯片，僅有一種設置組合：1、ECC Type=HW，ECC status=Enabled（即便用HW ECC check）。
   3.3 對於含有硬件ECC且默認沒使能的NAND芯片，可有兩種設置組合：1、ECC Type=SW，ECC status=x（即便用SW ECC check）；2、ECC Type=HW，ECC status=Disabled（即便用HW ECC check，BootROM會自動使用set-feature命令開啓硬件ECC，目前僅支持Micron的NAND芯片）

　　上述全部步驟所有完成以後，復位芯片你就應該能看到你放在Raw NAND裏的Application已經正常地啓動了。

　　至此，飛思卡爾i.MX RTyyyy系列MCU的Raw NAND啓動痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裏~~~