3_IMX6ULL启动流程

Posted 2022-02-06 韦东山

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了3_IMX6ULL启动流程相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

第三章 IMX6ULL启动流程

3.1 IMX6ULL启动方式

3.1.1 芯片手册讲解

IMX6ULL芯片内部有一个boot ROM，上电后boot ROM上的程序就会运行。它会根据BOOT_MODE[1:0]的值，以及eFUSE或GPIO的值决定后续的启动流程。
注：eFUSE即熔丝，只能烧写一次，一般正式发布产品时烧写最终值；平时调试时通过GPIO来设置开发板的启动方式。
boot ROM上的程序功能强大，可以从USB口或串口下载程序并把它烧写到Flash等设备上，也可以从SD卡或EMMC、Flash等设备上读出程序、运行程序。

问题来了：

① boot ROM是从USB口下载、运行程序，还是从SD卡等设备上读出、运行程序，谁决定？
BOOT_MODE[1:0]的值来自于2个引脚BOOT_MODE1、BOOT_MODE0。这2个引脚在上电时是输入引脚，芯片启动后采集这2个引脚的值，存入BOOT_MODE寄存器。以后这2个引脚就可以用于其他功能，不会影响到BOOT_MODE寄存器。
BOOT_MODE[1:0]的值确定了4种启动模式，如下图：

00模式在我们的开发过程中很少用到，简单介绍一下：在这种模式下，GPIO的值被忽略。Boot ROM会根据eFUSE的值来选择启动设备、设置启动设备。但是，对于刚出厂的芯片eFUSE值可能是错乱的、不适合你的设备的，怎么办？eFUSE中有一个值BT_FUSE_SEL，它的出厂值是0，表示eFUSE未被烧写。boot ROM程序发现BT_FUSE_SEL为0时，它会通过USB或串口来下载程序；发现BT_FUSE_SEL为1时，才会根据eFUSE的值选择启动设备，读出、运行该设备上的程序。

01模式，boot ROM程序通过USB或串口下载、运行程序，这个模式可以用来烧写EMMC等设备。我们的开发板出厂时，就是通过这个模式下载、烧写出厂程序的。

10模式，称之为内部模式，简单地说就是从SD卡、EMMC等设备启动程序。这就引入下面第2个问题。

② 如何选择启动设备？

00模式下是通过eFUSE的值选择启动设备，我们不关心。

10模式下既可以通过eFUSE的值也可以通过GPIO的值来选择启动设备，但是到底通过谁来决定？eFUSE中有一个值BT_FUSE_SEL，对，又是它。它的初始值为0，表示eFUSE未被烧写。在10模式下，当BT_FUSE_SEL为0时就会通过GPIO来选择启动设备；当BT_FUSE_SEL为1时就会通过eFUSE来选择启动设备。

在开发阶段，我们使用GPIO来选择设备，这就引入下面第3个问题。

③ 如何通过eFUSE或GPIO选择、设置启动设备？

通过eFUSE或GPIO不仅能选择启动设备，还可以设置启动设备。

为什么还需要设置？比如Nand Flash参数各有不同，有些的页大小是2048，有些是4096。这些参数不同，boot ROM程序读Nand Flash的方法就不同，我们必须把这些参数告诉boot ROM：通过eFUSE或GPIO来标明这些参数。

首先看看要设置哪些eFUSE或GPIO来选择不同的启动设备。

从上图可知，既可以使用eFUSE也可以使用GPIO来选择启动设备，换句话说GPIO可以覆盖eFUSE的值。哪些GPIO覆盖哪些eFUSE？这可以查看IMX6ULL芯片手册《Chapter 8: System Boot》里的《GPIO boot overrides》，我们把它摘出来放在3.1.3小节里。

选择启动设备后，还需要标明一些参数。

比如选择EMMC启动时，EMMC接在哪一个接口，eSDHC1还是eSDHC2？它的速度如何？

比如选择TF卡启动时，TF卡接在哪一个接口，eSDHC1还是eSDHC2？它的速度如何？

假设使用EMMC启动，或是TF卡启动，怎么设置eFUSE或GPIO？这些信息可以查询IMX6ULL芯片手册《Chapter 5: Fusemap》，摘录如下。

当BOOT_MODE设置为0b00时，通过eFUSE选择启动设备，通过eFUSE获得设备的参数。

当BOOT_MODE设置为0b10时，通过eFUSE或GPIO来选择启动设备，获得设备的参数；使用eFUSE还是GPIO由eFUSE中的BT_FUSE_SEL决定，它默认是0，表示使用GPIO。

以BOOT_MODE为0b10为例，解析一下上图。

要设置为SD卡、TF卡启动，有2个设置方法：

a. 设置eFUSE的BOOT_CFG1[7:5]为0b010，或

b. 查看《3.1.3 GPIO boot overrides》确定BOOT_CFG1[7:5]对应的GPIO为LCD1_DATA07~05，把这3个引脚设置为0b010。

根据SD卡、TF卡的性能，可以设置eFUSE或GPIO来表示它能否提供更高的速度：

a. 设置eFUSE的BOOT_CFG1[4:0]，或

b. 查看《3.1.3 GPIO boot overrides》确定BOOT_CFG1[4:0]对应的GPIO为LCD1_DATA04~00，设置这些引脚。

IMX6ULL有两个SD卡、TF卡接口，使用哪一个接口？请看下表：

a. 设置eFUSE的BOOT_CFG2[4:3]可以确定使用eSDHC1或eSDHC2，或

b. 查看《3.1.3 GPIO boot overrides》确定BOOT_CFG2[4:3]对应的GPIO为LCD1_DATA12~11，设置这些引脚

通过eFUSE或GPIO，还可以标明启动设备的更多参数，具体细节可以参考芯片手册《Chapter 5: Fusemap》，作为硬件开发人员需要去细细研究；作为软件开发人员，实际上只需要看开发板手册知道怎么设置启动开关即可。

3.1.2 100ASK_IMX6ULL启动方式选择

100ASK_IMX6ULL开发板上的红色拨码开关用来设置启动方式、选择启动设备，支持这3种方式：EMMC启动、SD卡启动、USB烧写。

板子背后画有一个表格，表示这3种方式如何设置。

表格如下：

BOOT CFG
BOOT	SW1(LCD_DATA5)	SW2(LCD_DATA11)	SW3(BOOT_MODE0)	SW4(BOOT_MODE1)
EMMC	OFF	OFF	ON	OFF
SD	ON	ON	ON	OFF
USB	X	X	OFF	ON

拔码开关中的SW3、SW4用来设置BOOT_MODE，ON表示0，OFF表示1。所以当SW3、SW4设置为ON、OFF时，BOOT_MODE为0b10，将会使用SD卡、TF卡、EMMC等设备启动。刚出厂的开发板中BT_FUSE_SEL默认为0，表示使用GPIO来设置参数。即使用LCD1_DATA07~05来选择启动设备。 100ASK_IMX6ULL开发板只支持SD/TF卡、EMMC启动，LCD1_DATA07~05为0b010时选择SD/TF卡启动，LCD1_DATA07~05为0b011时选择EMMC启动。这两种启动设备对应的LCD1_DATA07~06的值相同，都是0b01，这在核心板上已经通过电阻设置好，我们只需要在拨码开关上设置SW1(对应LCD1_DATA05)就可以。

IMX6ULL上有2个EMMC Flash接口，也复用为2个SD/TF卡接口，通过LCD1_DATA12~11来选择接口。0b00对应eSDHC1接口，0b01对应eSDHC2接口。LCD1_DATA12的值在核心板上已经通过电阻设置好。LCD1_DATA11的值通过拨码开关SW2来设置：ON表示0，对应eSDHC1接口，100ASK_IMX6ULL的TF卡接口使用了eSDHC1接口；OFF表示1，对应eSDHC2接口，100ASK_IMX6ULL的EMMC接口使用了eSDHC2接口。

这3种启动方式的设置示意图如下：

要注意的是，设置为USB启动时，不能插上SD卡、TF卡。
刚出厂的板子在EMMC上烧写了系统，你可以设置为EMMC启动方式。

3.1.3 GPIO boot override

IMX6ULL中既可以通过eFUSE也可以通过GPIO来选择、设置启动设备，在手册里大部分场合只列出了eFUSE，对应的GPIO需要查表：IMX6ULL芯片手册《Chapter 8: System Boot》里的《GPIO boot overrides》。

我们把它摘录出来。

3.2 IMX6ULL启动流程

这个启动流程可以猜测出来，假设板子设置为SD/TF卡启动，boot ROM程序会做什么？把程序从SD/TF卡读出来，运行。

从哪里读？从SD/TF卡读，这需要先初始化SD/TF卡：根据eFUSE或GPIO的设置初始化SD/TF卡。

读到哪里去？读到内存即DDR去，这需要先初始化DDR。

除了初始化启动设备、初始化DDR，还需要初始化什么？也许要初始化时钟，让CPU跑得更快一点。

总结起来就是：初始化CPU、时钟等，初始化内存，初始化启动设备，从启动设备上把程序读入内存，运行内存的程序。

官方的启动流程如下，这个流程图比较粗糙，总结起来就是：

a. 检查CPU ID

b. 检查Reset Type，冷启动、唤醒的启动过程是不一样的

c. 检查启动模式BOOT_MODE，检查eFUSE或GPIO

d. 根据上述检查从USB口、UART口或是某个启动设备下载boot image

e. 认证image

f. 启动

对于具体的启动设备，IMX6ULL芯片手册《Chapter 8: System Boot》中有对应章节描述更为细致的启动流程。基本上就是对这些启动设备根据eFUSE或GPIO的设置进行初始化，尝试更高的工作频率等。
在往后的学习中，如果涉及这些细节，我们再描述。
假设使用SD/TF卡启动，卡上的程序有多大？它应该被复制到DDR哪里去？这些问题，请看《3.3 IMX6ULL映像文件制作与使用》。

3.3 IMX6ULL映像文件

3.3.1 格式概述

如果您有S3C2440或其他单片机的学习经验，可以知道程序的二进制版本，比如lcd.bin可以直接烧写到Flash上。它们是自启动的，什么意思？比如一上电，运行的是lcd.bin前面的代码，它会初始化内存，把自己从Flash上复制到内存里去执行。请记住：自己把自己复制到内存。
但是对于IMX6ULL，烧写在EMMC、SD/TF卡上的程序，并不能“自己复制自己”。一上电首先运行的是boot ROM上的程序，它从EMMC、SD/TF卡上把程序复制进内存里。
所以：boot ROM程序需要知道从启动设备哪个位置读程序，读多大的程序，复制到哪里去。
所以：启动设备上，不能仅仅烧写bin文件，需要在添加额外的信息。

还有一个问题，IMX6ULL的boot ROM程序可以把程序读到DDR里，那需要先初始化DDR。每种板子接的DDR可能不一样，boot ROM程序需要初始化这些不同的DDR。boot ROM从哪里得到这些不同的参数？

还有，IMX6ULL支持各种启动设备，比如各种Nor Flash。为了通用，boot ROM程序将会使用最保守的参数，也就是最慢的时序来访问Nor Flash。为加快启动程序，boot ROM程序可以根据我们提供的信息初始化硬件，让它以更优的参数运行。

这些参数信息，被称为“Device Configuration Data”，设备配置数据(DCD)，这些DCD将会跟bin文件一起打包烧写在启动设备上。boot ROM程序会从启动设备上读出DCD数据，根据DCD来写对应的寄存器以便初始化芯片。DCD中列出的是对某些寄存器的读写操作，我们可以在DCD中设置DDR控制器的寄存器值，可以在DCD中使用更优的参数设置必需的硬件。这样boot ROM程序就会帮我们初始化DDR和其他硬件，然后才可以把bin程序读到DDR中并运行。

总结起来，烧写在EMMC、SD卡或是TF卡上的，除了程序本身，还有位置信息、DCD信息，这些内容合并成一个映像文件，如下图：

这4部分内容合并成为一个映像文件，烧写在EMMC、SD卡或TF卡等启动设备的某个固定地址，boot ROM程序去这个固定地址读出映像文件。启动设备不同，固定地址不同，如下图：

3.3.2 格式详解

先贴出一张图，然后再细细讲解：

下面的讲解图中，列有C语言格式的结构体，这些结构体来源于U-boot的tools目录下的imximage.h。对于程序员，有时候看结构体可以更快地理解映像文件的格式。

(1). Image Vector Table(IVT)：

IVT会被放在固定的地址，IVT中是一系列的地址，boot ROM程序会根据这些地址来确定映像文件中其他部分在哪里。

IVT格式如下：

要注意的是上图中这4项：

a. header：

里面有3项：tag、length、version。length表示IVT的大小，它是32字节。要注意是的，它是大字节序的。

b. entry：

用户程序运行时第1条指令的地址，就是程序的链接地址、程序被复制到内存哪里

c. dcd：

映像被复制到内存后，其中的DCD数据的地址。

d. boot data：

映像被复制到内存后，其中的boot data的地址。

e. self：

映像被复制到内存后，IVT自己所在的地址。

(2). Boot data：

映像被复制到内存后，IVT自己所在的地址。

a. start：

这是映像文件在内存中的地址，注意，它不等于IVT在内存中的地址。

什么意思？假设IVT被保存在启动设备TF卡1024偏移地址处，IVT被复制到内存地址0x87000000，那么start=0x87000000-1024。

所以start表示的是启动设备开头的数据，被复制到内存哪里去。

从它的含义也可以推理出：boot ROM程序会把启动设备开头的数据，复制到内存；而不仅仅是从IVT开始复制。

b. length：

保存在启动设备上的整个映像文件的长度，从0地址开始(不是从IVT开始)。

c. plugin：

这是一个标记位，当它为1时表示这个映像文件是“plugin”，即插件。

boot ROM程序可以支持有限的启动设备，如果你想双持更多的启动设备比如网络启动、CDROM启动，就需要提供对应的驱动。这些驱动就是“plugin”，我们的教程不涉及，该标记位为0。

Boot data就是用来表示映像文件应该被复制到哪里去，以前它的大小。boot ROM程序就是根据它来把整个映像文件复制到内存去的。

(3). DCD：

DCD的作用在前面讲解过，简单地说就是设备的配置信息，里面保存有一些寄存器值。

实际上DCD还可以更复杂，它支持多种命令：write data、check data、nop、unlock。我们可以通过write data命令写寄存器，通过check data命令等待寄存器就绪。

DCD格式如下：

DCD以Header开始，里面的TAG为0xD2表示它是DCD，里面还标明了DCD的大小、版本。

接下来就是各个“CMD”，你可以在一个“CMD”里操作多个寄存器，比如在一个“write data command”中，写多个寄存器。

以“write data command”为例简单介绍一下，它的格式为：

上图中，TAG为0xCC表示这是“write data command”；Length表示命令的大小；Parameter的作用稍后再说。

既然是写命令，那自然就有“地址、值”，上图中就是多个“Address、Value/Mask”。为何还有
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Parameter中b[2:0]用来表示写操作的字节数，是以字节、半字(2 byte)，还是字(4 byte)来操作。

而b[4]、b[3]决定了是写值(write value)，清位(clear bitmask)，还是设位(set bitmask)。

对于其他命令，共格式可以参考IMX6UL的芯片手册，这里就不再介绍了。

(4). User code and data：

就是用户程序或数据，原原本本地添加到映像文件里就可以。

https://github.com/NXPmicro/mfgtools

3.3.1 实例

我们制作映像文件的目的什么？把我们自己的程序烧写到启动设备，让boot ROM程序启动它。

所以制作映像文件的起点是：我们编写的程序。制作过程中各填值的计算方法如下图所示。

上图中各步骤细说如下：

① 确定入口地址entry：

我们的程序运行时要放在内存中哪一个位置，这是我们决定的。它被称为入口地址、链接地址。

② 确定映像文件在内存中的地址start：

boot ROM程序启动时，会把“initial load region”读出来，“initial load region”里含有IVT、Boot data、DCD。boot ROM根据DCD初始化设备后，再把整个映像文件读到内存。

在启动设备上，“initial load region”之后紧跟着我们的程序，反过来说就是我们程序的前面，放着“initial load region”。假设“initial load region”的大小为load_size，那么在内存中“initial load region”的位置start = entry – load_size。

注意：“initial load region”位于启动设备0位置，它的头部并不是IVT，而是一些无用的数据(或是分区信息)。

③ 确定IVT在内存中的地址self：

我们知道IVT在启动设备上某个固定的位置：ivt_offset。那么在内存中它的位置可以如下计算：

self = start + ivt_offset = entry – load_size + ivt_offset

④ 确定Boot data在内存中的地址boot_data：

IVT的大小是32字节，IVT之后就是Boot data，而IVT中的boot_data值表示Boot data在内存中的位置，计算如下：

boot_data = self + 32 = entry – load_size + ivt_offset + 32

⑤ 确定DCD在内存中的地址dcd：

Boot data的大小是12字节，Boot data之后就是DCD，而IVT中的dcd值表示DCD在内存中的位置，计算如下：

dcd = boot_data + 12 = entry – load_size + ivt_offset + 44

⑥ 写入DCD的数据：

DCD是用初始化硬件的，特别是初始化DDR。而DDR的初始化非常的复杂、专业，我们一般是使用硬件厂家提供的代码。

在后面的程序中你可以看到，我们是使用类似下面的指令来制作映象文件：

./tools/mkimage -n ./tools/imximage.cfg.cfgtmp -T imximage -e 0x80100000 -d led.bin led.imx

上述命令中的imximage.cfg.cfgtmp就是厂家提供的，内部截取部分贴出来：

从上图也可以看到imximage.cfg.cfgtmp文件中基本是对寄存器的写操作。

mkimage程序来自u-boot，它会把imximage.cfg.cfgtmp中的内容转换为DCD数据。我们并不打算讲解DCD的内容，只需要了解它的大概作用：

a. 设置时钟：DDR也需要时钟，这很好理解

b. 设置引脚：DDR需要很多引脚

c. 设置DDR控制器：Multi-mode DDR controller (MMDC)

⑦ 写入用户程序

⑧ 经过上述7个步骤，整个映像文件就构造出来了，可以把它烧入启动设备。

我们提供的示例程序001_led中有一个文件：led.img，它就是映象文件，可以直接烧入TF卡。用软件Hex Editor Neo打开led.img，选择doble word方式显示，可以看到如下内容，你可以自行验证一下映像文件中各个值。

3.4 映像文件烧写、运行

我们编译出来的映像文件有2类后缀：imx、img。imx文件开头就是IVT，可以把它烧写到TF卡1024偏移位置处；img文件开头是1024字节的0值数据，后面才是IVT等，它可以通过win32diskimger等工具直接烧写到TF卡0偏移位置处。

另外，我们还可以通过USB把imx文件直接下载到板子上，并运行。

注意：通过USB下载方式，可以烧写程序到EMMC、TF卡上，但是并非“直接烧写”。它的过程如下：

a. 通过USB下载u-boot到内存，

b. 通过USB下载用户程序到内存，

c. 通过USB发送命令运行u-boot，

d. 用u-boot烧写把内存中的用户程序烧写到EMMC、TF卡上

最新版本的IMX6ULL烧写工具名为uuu：Universal Update Utility，又名mfgtools 3.0。

源码地址为：

https://github.com/NXPmicro/mfgtools

编译好的可执行程序下载地址：

https://github.com/NXPmicro/mfgtools/releases

3.4.1 使用USB下载、运行裸机程序

使用USB来下载、运行裸机程序，是最简单的方法，不需要烧写。

步骤如下：

① 开发板设置为USB启动，或称为USB下载模式：

对于100ASK_IMX6ULL开发板，启动开关设置为下图所示的样子：

② 使用USB线连接电脑和开发板的OTG口：

对于100ASK_IMX6ULL开发板，接线如下所示：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-nTV6P4Up-1642062807801)(https://cdn.jsdelivr.net/gh/DongshanPI/HomeSite-Photos@main/IMX6ULL-BareMetal/IMX6ULL_Start_Up_image020.png)]

接好线后上电。

③ 使uuu命令下载、运行IMX文件：

我们提供的程序中在tools目录下预先放置了uuu.exe(windows用)、uuu(Linux用)。

以Windows为例，如下操作：

a. 进入程序目录，打开命令行：