痞子衡嵌入式：飛思卡爾Kinetis系列MCU啓動那些事（3）- KBOOT配置(FOPT/BOOT Pin/BCA)

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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Kinetis系列MCU的KBOOT配置。

　　KBOOT是支持配置功能的，配置功能可分爲兩方面：1、芯片系統的啓動配置；2、KBOOT特性配置；痞子衡在前一篇文章裏介紹了 KBOOT形態(ROM/Bootloader/Flashloader)，雖然KBOOT有三種形態，但實際上只有2種類型的芯片載體，即含ROM空間的芯片（好比Kinetis K80）和不含ROM空間的芯片（好比Kinetis KL25），KBOOT配置在這兩種載體上是有區別的，下面痞子衡爲你們詳解KBOOT配置：

1、啓動配置：FTFx_FOPT, BOOT Pin, RCM_FM

　　芯片系統的啓動配置主要決定的是芯片上電從哪裏（ROM/Flash）開始啓動，因此這個啓動配置對於含ROM空間的芯片特別重要，而不適用於不含ROM空間的芯片。

1.1 啓動方式選擇Flash Configuration Field - FOPT

　　熟悉Kinetis芯片的朋友確定知道，Kinetis芯片都是含內部Flash的，內部Flash起始地址通常是0x00000000，Flash操做是經過FTFx這個IP模塊實現的，若是你對FTFx模塊瞭解的話，這個IP模塊內部其實有一些寄存器屬性是readonly的，而且從手冊裏看這些readonly寄存器的初值是undefined，截取K80芯片FTFA模塊中這些readonly寄存器以下：

　　既然這些寄存器是readonly屬性而且初值又是undefined的，那麼其初值到底取決於什麼？這裏就涉及到Kinetis芯片中比較特別的FCF加載機制，FCF即Flash Configuration Field，其區域地址爲Flash偏移0x400 - 0x40f，一共16個bytes，這16bytes內容組織以下：

　　任何一次熱啓動後，芯片系統會自動從FCF區域加載初值進FTFx相應寄存器中，咱們主要關注的是跟啓動配置相關的FTFx_FOPT寄存器（特別注意，當FCF中對應FOPT的值是無效值0x00時，在加載過程當中芯片自動會給FOPT賦值0xFF），下面是FTFx_FOPT寄存器的bit定義，其中BOOTSRC_SEL和BOOTPIN_OPT位是關鍵（注意這兩個位在不含ROM空間的芯片上是reserved的）。

　　BOOTSRC_SEL和BOOTPIN_OPT的值共同決定了芯片的啓動位置（ROM/Flash）：

• BOOTPIN_OPT = 1: 啓動位置徹底由BOOTSRC_SEL決定。
• BOOTPIN_OPT = 0: 啓動位置由BOOTSRC_SEL和BOOTCFG0 pin共同決定。

　　所以當在FCF裏指定FOPT爲0xFF時，芯片上電永遠從ROM啓動；當在FCF裏指定FOPT爲0x3F時，芯片上電永遠從Flash啓動。

1.2 啓動位置切換BOOT Pin

　　在1.1節的最後痞子衡提到了BOOTCFG0 pin，其實BOOTCFG0 pin對於含ROM空間芯片而言就是BOOT Pin，這個BOOT Pin是芯片系統直接指定的，與NMI pin複用（在上電以及ROM執行過程當中，NMI pin本來中斷功能是被屏蔽的）。
　　你必定會疑惑BOOT pin有什麼用？讓咱們再回到1.1節的最後，0x3F和0xFF是兩種比較典型的FOPT啓動配置值，可是這種配置值指定的是固定啓動位置，除非你擦除FCF從新燒寫，否則沒法輕易改變啓動位置。可是有的時候咱們想在不擦除FCF狀況下自由切換啓動位置ROM/Flash，這時候就得依靠BOOT Pin，此時咱們須要在FCF裏指定FOPT爲0x3D，讓咱們結合下面的TWR-K80F150M原理圖來講明：

　　在上述TWR-K80F150M原理圖中，咱們能夠看到兩個按鍵開關（SW2,SW1）分別連到了K80芯片的NMI_b pin和RESET_b pin，當咱們配置FOPT爲0x3D時，即啓動位置由BOOTSRC_SEL（2'b00，即從Flash啓動）和BOOTCFG0（NMI）共同決定，若是在RESET_b pin（SW1）按下復位過程當中，BOOTCFG0 pin（SW2）一直被按下，那麼芯片會從ROM啓動（而且超時也不會跳轉到Application）；而若是BOOTCFG0 pin（SW2）沒有被按下，那麼芯片會從Flash啓動。是否是瞬間以爲這樣切換啓動位置很方便！
　　其實BOOT Pin設計不只僅只在含ROM空間的芯片上存在，在不含ROM空間的芯片上也支持，只不過在不含ROM空間的芯片上，BOOT Pin是由Bootloader代碼指定的（須要查看芯片手冊Bootloader章節或源代碼），咱們知道當芯片不含ROM時，上電默認從Flash起始地址處啓動，而Flash起始地址已被Flash-Resident Bootloader佔據，因此上電永遠執行Flash-Resident Bootloader，此時BOOT Pin的意義主要是決定是否要超時跳轉到Application，若是BOOT Pin在RESET_b pin按下復位過程當中一直被按下，那麼芯片將會一直停留在Bootloader中；若是BOOT Pin沒有被按下，那麼芯片在執行Bootloader超時時間到了以後會跳轉到Application。

1.3 強制從ROM熱啓動RCM_FM

　　咱們知道芯片復位啓動分爲冷啓動（POR Pin）和熱啓動（RESET_b Pin），冷啓動是最爲完全的啓動（全部寄存器初值所有重置），而熱啓動並非完全啓動（有些寄存器初值不會重置），RCM模塊裏有1個寄存器（RCM_FM）就只有冷啓動才能被重置，並且這個寄存器與從ROM啓動息息相關，不得不提。下面是RCM_FM和RCM_MR寄存器的bit定義：

　　上述兩個寄存器只在含ROM空間的芯片上存在，其做用是爲了保證ROM在執行期間即便不當心發生熱啓動，下一次仍是會強制執行ROM程序，而不受FOPT, BOOT Pin狀態變化影響。ROM程序裏操做RCM_FM/MR寄存器使能了這一強制ROM啓動功能，具體代碼以下：

// ROM statrup過程當中調用的函數
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跳轉到Application以前調用的函數
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);

    // ...
}

　　由於ROM裏有了上述代碼，因此只要芯片上電執行過ROM程序，除非是ROM主動跳轉到了Application或者發生了冷啓動，不然任何與ROM有關的配置修改操做都不會影響到下一次啓動ROM的執行，這種機制能夠確保Application必定會被ROM下載進Flash。

2、特性配置：BCA

　　除了啓動配置外，KBOOT還支持特性配置，咱們知道KBOOT提供的特性功能很是多，好比支持的外設種類豐富、超時時間可設、Application完整性校驗、USB ID可設、運行時鐘可配、加密特性支持、QSPI啓動支持，這些特性能夠經過BCA來配置，BCA是Bootloader Configuration Area的簡稱，KBOOT經過從BCA區域加載用戶配置數據完成這些特性配置。BCA配置結構體原型以下（以K80芯片爲例）：

//! @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;

　　若是你想配置KBOOT的特性，必須按上述結構體格式準備好配置數據，具體數據值所表明含義請查看芯片手冊Bootloader章節，痞子衡在後續文章裏也會慢慢講到。此處假設你已經準備好了BCA數據，那麼這個BCA數據應該放在哪裏呢？其實KBOOT已經指定好了BCA位置，見以下代碼，BCA起始地址固定在APP_VECTOR_TABLE地址偏移0x3c0處，對於ROM Bootloader而言，BCA地址就是0x3c0，由於APP_VECTOR_TABLE=0；而對於Flash-Resident Bootloader而言，BCA地址是Bootloader指定的Application起始地址偏移0x3c0處。

//! @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
};

　　最後再解釋一下BCA地址爲什麼是APP_VECTOR_TABLE + 0x3c0，咱們知道ARM Cortex-M系統規定Application前1KB（0x0 - 0x3FF）應放中斷向量表，Cortex-M最大支持256箇中斷，其中前16個是系統中斷，後240個是外設中斷，而Cortex-M廠商生產的芯片通常用不滿240個外設中斷，因此其實中斷向量表後半部分實際上是reserved的，所以咱們能夠把reserved區域裏的0x3C0 - 0x3FF這64bytes用做BCA配置。

　　至此，飛思卡爾Kinetis系列MCU的KBOOT配置痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裏~~~