痞子衡嵌入式：深刻i.MXRT1050系列ROM中串行NOR Flash啓動初始化流程

時間  2020-12-04
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　　你們好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給你們分享的是深刻i.MXRT1050系列ROM中串行NOR Flash啓動初始化流程。html

　　從外部串行NOR Flash啓動問題是i.MXRT系列開發最高頻的話題，不管是開發調試XIP應用程序階段仍是最終產品量產階段都繞不開NOR Flash選型以及爲它設計一個匹配的FDCB配置塊。若是不瞭解FDCB是什麼，先去看痞子衡以前的文章 《Bootable image格式與加載》。微信

　　實際開發過程當中，影響串行NOR Flash正常下載/啓動的因素有不少，痞子衡已經寫過三篇：《16MB以上使用不當因素》、《SFDP因素》、《QE bit因素》，列舉了三個不一樣因素，固然這都是出了問題，具體調試分析才定位出來的，顯然還有不少未知因素等待陸續被髮掘。性能

　　若是老是被動去解決問題，那問題是解不完的。不如咱們主動出擊，摸清i.MXRT啓動串行NOR Flash設備究竟是怎樣的初始化流程，搞清這個流程，未來定位啓動問題才能遊刃有餘，話很少說，開始今天的主題。flex

  • 備註：本文主角是i.MXRT1050，但內容也基本適用i.MXRT10十、i.MXRT1020，僅細節微小差異。

1、總體初始化流程

　　咱們知道外部串行NOR Flash是接到i.MXRT的FlexSPI外設引腳上，有時串行NOR Flash啓動也叫FlexSPI NOR啓動。關於FlexSPI NOR啓動流程，i.MXRT1050參考手冊System Boot章節有以下流圖，藍框以外的流程屬於常規i.MXRT啓動XIP App流程，是個通用流程。藍框以內纔是具體FlexSPI初始化步驟，這個步驟歸納得比較精煉。ui

　　爲了讓你們對FlexSPI NOR設備啓動初始化流程有個更具體的概念，痞子衡從新畫了一張更詳細的流程圖，圖中灰底框裏描述得是FlexSPI初始化流程，痞子衡將其分解成了六步，咱們有必要深刻這六步初始化流程。.net

2、分解初始化流程

2.1 復位Flash芯片（可選）

　　第一步是嘗試復位Flash芯片，這步是可選的，在fuse_0x6e0[7]裏配置，默認是不使能的。復位Flash目的是爲了讓Flash處於一個肯定的初始狀態，方便i.MXRT BootROM去配置訪問。爲何要強調Flash的初始狀態，由於不少時候i.MXRT未必是冷啓動（上電啓動），也有多是軟復位啓動（好比調用NVIC_SystemReset），這時候外部Flash已經被軟復位前執行過的BootROM甚至用戶App配置過，所以Flash的狀態可能不是上電初始狀態（通常來講板級設計裏Flash的RESET#引腳要麼懸空，要麼鏈接i.MXRT的POR#引腳），這可能會影響軟復位後BootROM去再次配置啓動這塊不定態的Flash。翻譯

fuse 0x6e0[7] - FLEXSPI_RESET_PIN_EN

　　正常的Flash都提供了RESET#引腳來實現跟上電覆位同樣的功能，對於普通8-pin的QSPI Flash，這個RESET#引腳每每是跟信號線IO3複用的（僅在QE bit沒使能狀況下有效），而對於16-pin的QSPI Flash或者HyperFlash，其RESET#引腳都是獨立的。設計

　　BootROM就是藉助了Flash的RESET#引腳來實現的復位操做，實現代碼比較簡單，i.MXRT1050 BootROM直接指定了GPIO1[9]當作復位信號線，板級設計裏須要你將GPIO1[9]連到Flash的RESET#引腳，而後BootROM就是簡單地拉低GPIO1[9]便可。RESET#信號都是低電平有效，BootROM直接拉低這個信號持續250us，這個低電平持續時間對於復位來講是夠夠的，不少Flash數據手冊裏其實僅要求幾us便可。3d

  • 備註：對於BootROM的Flash復位功能來講，主要適用有獨立RESET#引腳的Flash。
#define RESET_PAD_IDX       kIOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO_AD_B0_09
#define RESET_PIN_MUX       IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_MUX_MODE(5)
#define RESET_PIN_GPIO      GPIO1
#define RESET_PIN_INDEX     9

if ((OCOTP->MISC_CONF1 & 0x80) >> 7)
{
    // Set pinmux as GPIO
    IOMUXC->SW_MUX_CTL_PAD[RESET_PAD_IDX] = RESET_PIN_MUX;
    // Set GPIO to output mode
    RESET_PIN_GPIO->GDIR |= (1U<<RESET_PIN_INDEX);

    // High
    RESET_PIN_GPIO->DR_SET = (1U<<RESET_PIN_INDEX);
    sw_delay_us(250);
    // Low
    RESET_PIN_GPIO->DR_CLR = (1U<<RESET_PIN_INDEX);
    sw_delay_us(250);
    // High
    RESET_PIN_GPIO->DR_SET = (1U<<RESET_PIN_INDEX);
    sw_delay_us(500);
}

2.2 準備初始FDCB配置塊

　　第二步是準備一個初始的FDCB配置塊（即flexspi_nor_config_t，大小爲512字節），這個初始FDCB配置塊將被用來作FlexSPI外設的第一次初始化，目的是爲了可以保證FlexSPI初始化以後CPU可以使用AHB方式正常讀取Flash（訪問性能不要求最高，但求穩定訪問）。這個初始FDCB並非一個徹底定死的配置塊，部分值也是根據fuse來配置的，一共有三處fuse位置，其中最重要的是FLASH_TYPE：調試

fuse 0x440[20]    - QSPI_2ND_BOOTPIN_ENABLE，決定是否啓動第二組FlexSPI pinmux
fuse 0x450[10:8]  - FLASH_TYPE，決定當前鏈接的Flash類型
fuse 0x470[30:24] - DELAY_CELL_NUM，設置Flash讀訪問時序數據線有效時間

　　初始FDCB配置塊中僅給memConfig設了值，這個memConfig纔是用於配置FlexSPI外設自己。以下部分賦值是固定的FDCB設置，不受fuse影響，從這個固定配置你能夠看到，BootROM假定了全部外接Flash都是128MB，且訪問時鐘(SCK)速度能支持30MHz，不要對這個假定感到焦慮，它只是用於FlexSPI第一次初始化，目的只求能正常訪問Flash前4KB便可：

flexspi_nor_config_t config;
memset(config, 0, sizeof(config));

// 公共的FDCB配置
config.memConfig.tag           = FLEXSPI_CFG_BLK_TAG;
config.memConfig.version       = FLEXSPI_CFG_BLK_VERSION;
config.memConfig.deviceType    = kFlexSpiDeviceType_SerialNOR;
config.memConfig.sflashA1Size  = 128UL*1024*1024;
config.memConfig.serialClkFreq = kFlexSpiSerialClk_30MHz;
config.memConfig.dataHoldTime  = 3;
config.memConfig.dataSetupTime = 3;
config.memConfig.timeoutInMs   = 1000;

　　而後即是從fuse裏獲取flashType，根據具體flashType來對初始FDCB配置塊作進一步動態賦值，這進一步賦值才用於區分不一樣Flash種類（Pad數量、DQS信號屬性、最重要的lookupTable等）。

// 從fuse裏獲取flash類型
uint32_t flashType;
if ((OCOTP->CFG3 & 0x100000) >> 20)
{
    flashType = 7;
}
else
{
    flashType = (OCOTP->CFG4 & 0x700) >> 8;
}

　　上圖中最重要的FDCB賦值是config.memConfig.lookupTable，它是FlexSPI外設須要的核心配置，有了這個配置，CPU即可以直接從AHB總線讀取Flash的內容，由於FlexSPI會自動解析AHB總線讀請求而後翻譯成具體FlexSPI讀時序，底層讀時序須要的命令、地址字節數、DUMMY週期都在lookupTable裏。BootROM預存了以下6大類Flash的lookupTable：

// Dedicated 3Byte Address Read(0x03), 24bit address
static const uint32_t s_dedicated3bRead[4]   = {
    FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR,  FLEXSPI_1PAD, 0x03, RADDR_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x18),
    FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x04, STOP,      FLEXSPI_1PAD, 0),
    0,
    0
};

// Dedicated 4Byte Address Read(0x13), 32 bit address
static const uint32_t s_dedicated4bRead[4]   = {
    FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR,   FLEXSPI_1PAD, 0x13, RADDR_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x20),
    FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_SDR,  FLEXSPI_1PAD, 0x04, STOP,      FLEXSPI_1PAD, 0),
    0,
    0
};
// HyperFlash Read
static const uint32_t s_hyperflashRead[4]    = {
    FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_DDR,   FLEXSPI_8PAD, 0xA0, RADDR_DDR,      FLEXSPI_8PAD, 0x18),
    FLEXSPI_LUT_SEQ(CADDR_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x10, DUMMY_RWDS_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x0c),
    FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_DDR,  FLEXSPI_8PAD, 0x04, STOP,           FLEXSPI_8PAD, 0),
    0
};

// MXIC Octal DDR read
static const uint32_t s_mxicOctDdrRead[4]    = {
    FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_DDR,   FLEXSPI_8PAD, 0xEE, CMD_DDR,   FLEXSPI_8PAD, 0x11),
    FLEXSPI_LUT_SEQ(RADDR_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x20, DUMMY_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0xc),
    FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_DDR,  FLEXSPI_8PAD, 0x04, STOP,      FLEXSPI_8PAD, 0),
    0
};

// Micron Octal DDR read
static const uint32_t s_micronOctDdrRead[4]  = {
    FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR,   FLEXSPI_8PAD, 0xFD, RADDR_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x20),
    FLEXSPI_LUT_SEQ(DUMMY_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x8,  READ_DDR,  FLEXSPI_8PAD, 0x04),
    0,
    0
};
// Adesto Octal DDR read
static const uint32_t s_adestoOctDdrRead[4]  = {
    FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR,   FLEXSPI_8PAD, 0x0B, RADDR_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x20),
    FLEXSPI_LUT_SEQ(DUMMY_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x8,  READ_DDR,  FLEXSPI_8PAD, 0x04),
    0,
    0
};

2.3 第一次FlexSPI初始化

　　第三步就是利用上述配置完成的初始FDCB塊對FlexSPI外設進行第一次初始化，就是下面代碼，這個流程跟官方SDK裏的flexspi_nor_flash_init()大同小異，這裏不予具體展開。若是在這裏初始化就返回失敗（這裏通常不會失敗，由於僅僅是FlexSPI外設自身初始化，並不涉及操做外部Flash芯片的動做），BootROM則直接退出FlexSPI NOR設備啓動，轉入SDP下載。

#define FLEXSPI_INSTANCE    0
uint32_t instance = FLEXSPI_INSTANCE;

status_t status = flexspi_init(instance, (flexspi_mem_config_t *)(&config));
if (status != kStatus_Success)
{
    return status;
}
flexspi_update_lut(instance, 0, &config.memConfig.lookupTable, 1);

2.4 若干善後工做

　　上述第一次FlexSPI初始化通常都會成功的，但這並不表明fuse裏的flashType等配置跟板子上Flash型號是匹配的，也就是說初始FDCB配置塊此時尚未被充分驗證其是否適用板載Flash型號。

　　FlexSPI第一次初始化結束後，爲了保證後續能正常AHB訪問，BootROM裏作了一些善後工做，主要是兩件事：

  1. 作一些訪問前的延時：根絕fuse 0x450[3:2] - HOLD TIME來調用microseconds_delay()作延時，以使FlexSPI外設徹底準備好。
  2. 作一次無效AHB訪問：相似這樣的代碼 volatile uint32_t dummy = *(uint32_t *)0x60000000;，無效AHB讀可使Flash退出continuous read模式

2.5 獲取用戶FDCB配置塊

　　善後工做結束以後，此時CPU應該能夠經過AHB正常訪問Flash了，這個階段咱們只須要從Flash的偏移0地址處讀取用戶FDCB，驗證用戶FDCB是否存在，這裏纔是對前面初始FDCB配置塊以及第一次FlexSPI外設初始化的真正考驗。

　　驗證用戶FDCB是否存在就是簡單讀取FDCB的前四個字節(tag)，驗證這個tag是否合法。若是第一次驗證tag不成功（有多是FlexSPI配置不正確，也有多是用戶FDCB不存在），會嘗試作一次三字節地址切換到四字節地址的LUT更新（僅適用QSPI Flash），而後作第二次tag讀取驗證，若是此時仍是驗證失敗（大機率是不存在用戶FDCB了），BootROM則直接退出FlexSPI NOR設備啓動，轉入SDP下載。

#define FlexSPI_AMBA_BASE      (0x60000000U)
#define FLASH_BASE             FlexSPI_AMBA_BASE

// 使用三字節地址的LUT對Flash進行初次AHB訪問
flexspi_clear_cache(FLEXSPI_INSTANCE);
flexspi_nor_config_t *pConfig = (flexspi_nor_config_t *)FLASH_BASE;
if (pConfig->memConfig.tag != FLEXSPI_CFG_BLK_TAG)
{
    // 由於拿不到用戶FDCB的tag，嘗試切換使用四字節地址的LUT
    if (flashType == 0)
    {
        flexspi_update_lut(FLEXSPI_INSTANCE, 0, s_basic4bRead, 1);
    }
    flexspi_clear_cache(FLEXSPI_INSTANCE);
    pConfig = (flexspi_nor_config_t *)FLASH_BASE;
}

// 對Flash進行第二次AHB訪問，再次確認可否拿到用戶FDCB的tag
if (pConfig->memConfig.tag != FLEXSPI_CFG_BLK_TAG)
{
    return kStatus_Fail;
}

　　上面代碼裏有flexspi_clear_cache()操做，這個其實就是利用FLEXSPI0->MCR0[SWRESET]作一個外設級別的軟復位，另外代碼裏還涉及到一個四字節地址QSPI Flash的LUT表，即以下所示：

// Basic read with 32bit address
static const uint32_t s_basic4bRead[4]   = {
    FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR,  FLEXSPI_1PAD,  0x03, RADDR_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x20), 
    FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_SDR, FLEXSPI_1PAD,  0x04, STOP,      FLEXSPI_1PAD, 0),
    0,
    0
};

2.6 第二次FlexSPI初始化

　　到了這裏，基本表明第一次FlexSPI初始化是正確且可用的，而且可以拿到有效的用戶FDCB配置塊。這時候就是利用用戶FDCB配置塊對FlexSPI外設作第二次初始化，初始化代碼流程跟第一次初始化是如出一轍的。

　　這個第二次初始化是很是有必要的，由於它反映了用戶的真實需求，用戶FDCB配置塊裏會準確描述板載Flash的全面特性（訪問速度，真實存儲空間大小，特殊定製LUT等等），這些信息必須由用戶來提供。

　　須要注意的是，第二次FlexSPI初始化返回成功並不表明用戶FDCB配置塊必定就是正確的，仍是那句話，這僅僅是對FlexSPI外設自身的初始化。後續常規App解析流程裏纔是對這個用戶FDCB配置塊的真正考驗。

　　至此，深刻i.MXRT1050系列ROM中串行NOR Flash啓動初始化流程痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裏~~~

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