I.MX6U启动方式详解

Posted 2020-12-18 reverse-xiaoyu

I.MX6U 启动方式详解

1、启动方式的选择

　　根据 NXP（恩智浦）官方提供的 I.MX6U 参考手册 chapter8：System Boot

Overview
The boot process begins at Power On Reset (POR) where the hardware reset logic forcesthe ARM core to begin execution starting from the on-chip boot ROM.

（启动过程开始于电源上的复位（POR）硬件复位逻辑强制 ARM 核心从芯片上的引导 ROM 开始执行）

Boot ROM code uses the state of the internal register BOOT_MODE[1:0] as well as the state of various eFUSEs and/or GPIO settings to determine the boot flow behavior of the device.

（引导 ROM 代码使用内部寄存器 BOOT_MODE[1:0] 的状态以及各种各样的 eFUSEs 的状态 和/或 GPIO 设置来确定设备引导流行为）

The main features of the ROM include:

（ROM 的主要特点包括）
• Support for booting from various boot devices--（支持从各种引导设备引导）
• Serial downloader support (USB OTG and UART)--（支持串行下载）
• Device configuration data (DCD) and plugin--（支持 DCD 设备配置数据和插件）
• Digital signature and encryption based High Assurance Boot (HAB)--（基于数字签名和加密的高保证引导(HAB)）
• Wake-up from low power modes--（从低功率模式唤醒）

The boot ROM supports the following boot devices:

（引导 ROM 支持以下引导设备）
• NOR Flash
• NAND Flash
• OneNAND Flash
• SD/MMC
• Serial (SPI) NOR Flash and EEPROM
• QuadSPI (QSPI) Flash

The Boot ROM uses the state of BOOT_MODE and eFUSEs to determine the boot device. For development purposes, eFUSEs used to determine the boot device may be overridden by using GPIO pin inputs.

（引导 ROM 使用 BOOT_MODE 和 eFUSEs 的状态来决定引导设备，为了发展目的，使用 eFUSEs 来确定引导设备将被使用 GPIO引脚输入替代）

　　BOOT 的处理过程是发生在 I.MX6U 芯片上电以后，芯片会根据 BOOT_MODE[1:0]的设置来选择 BOOT 方式。 BOOT_MODE[1:0]的值是可以改变的，有两种方式，一种是改写 eFUSE(熔丝)，一种是修改相应的 GPIO 高低电平。第一种修改 eFUSE 的方式只能修改一次，后面就不能再修改了，所以我们不使用。我们使用的是通过修改 BOOT_MODE[1:0]对应的 GPIO 高低电平来选择启动方式，所有的开发板都使用的这种方式， I.MX6U 有一个 BOOT_MODE1 引脚和BOOT_MODE0 引脚，这两个引脚对应这 BOOT_MODE[1:0]。 I.MX6U-ALPHA 开发板的这两个引脚原理图如下图所示：
 　　　　　　　　　　　　

  　　　　　　　　　　　　

 

 

　　其中 BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0 在芯片内部是有 100KΩ下拉电阻的，所以默认是0。 

　　I.MX6U 有四个 BOOT 模式，这四个 BOOT 模式由 BOOT_MODE[1:0]来控制，也就是BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0 这两 IO， BOOT 模式配置如表所示：

  　　　　　　　　　　　　

 

 

 1.1、串行下载

　　当 BOOT_MODE1 为 0， BOOT_MODE0 为 1 的时候此模式使能，串行下载的意思就是可以通过 USB 或者 UART 将代码下载到板子上的外置存储设备中，我们可以使用 OTG1 这个 USB 口向开发板上的 SD/EMMC、 NAND 等存储设备下载代码。我们需要将 BOOT_MODE1 拨到 “OFF”，将 BOOT_MODE0 拨到“ON”。这个下载是需要用到 NXP 提供的一个软件，一般用来最终量产的时候将代码烧写到外置存储设备中的 。

1.2、内部 BOOT 模式

　　当 BOOT_MODE1 为 1， BOOT_MODE0 为 0 的时候此模式使能，在此模式下，芯片会执行内部的 boot ROM 代码，这段 boot ROM 代码会进行硬件初始化(一部分外设)，然后从 boot 设备(就是存放代码的设备、比如 SD/EMMC、 NAND)中将代码拷贝出来复制到指定的 RAM 中，一般是 DDR。

2、BOOT ROM 初始化内容

　　当我们设置 BOOT 模式为“内部 BOOT 模式”以后， I.MX6U 内部的 boot ROM 代码就会执行，这个 boot ROM 代码都会做什么处理呢？首先肯定是初始化时钟， boot ROM 设置的系统时钟如图所示：

 　　　　　　　　　　　　

 

 

　　在图中 BT_FREQ 模式为 0，可以看到， boot ROM 会将 I.MX6U 的内核时钟设置为 396MHz， 也就是主频为 396Mhz。 System PLL=528Mhz， USB PLL=480MHz， AHB=132MHz，IPG=66MHz。关于 I.MX6U 的系统时钟，我们后面会详细讲解。

　　内部 boot ROM 为了加快执行速度会打开 MMU 和 Cache，下载镜像的时候 L1 ICache 会打开，验证镜像的时候 L1 DCache、 L2 Cache 和 MMU 都会打开。一旦镜像验证完成， boot ROM就会关闭 L1 DCache、 L2 Cache 和 MMU。
　　中断向量偏移会被设置到 boot ROM 的起始位置，当 boot ROM 启动了用户代码以后就可以重新设置中断向量偏移了。一般是重新设置到我们用户代码的开始地方，关于中断的内容后面会详细讲解。

3、启动设备

　　当 BOOT_MODE 设置为内部 BOOT 模式以后，可以从以下设备中启动：
　　①、接到 EIM 接口的 CS0 上的 16 位 NOR Flash。
　　②、接到 EIM 接口的 CS0 上的 OneNAND Flash。
　　③、接到 GPMI 接口上的 MLC/SLC NAND Flash， NAND Flash 页大小支持 2KByte、 4KByte 和 8KByte， 8 位宽。
　　④、 Quad SPI Flash。
　　⑤、接到 USDHC 接口上的 SD/MMC/eSD/SDXC/eMMC 等设备。
　　⑥、 SPI 接口的 EEPROM。
　　这些启动设备如何选择呢？ I.MX6U 同样提供了 eFUSE 和 GPIO 配置两种， eFUSE 就不讲解了。我们重点看如何通过 GPIO 来选择启动设备，因为所有的 I.MX6U 开发板都是通过 GPIO来配置启动设备的。正如启动模式由 BOOT_MODE[1:0]来选择一样，启动设备是通过 BOOT_CFG1[7:0]、 BOOT_CFG2[7:0]和 BOOT_CFG4[7:0]这 24 个配置 IO，这 24 个配置 IO 刚好对应着 LCD 的 24 根数据线 LCD_DATA0~LCDDATA23，当启动完成以后这 24 个 IO 就可以作为 LCD 的数据线使用。这 24 根线和 BOOT_MODE1、 BOOT_MODE0 共同组成了 I.MX6U 的启动选择引脚，如图所示： 

 　　　　　　　　　　　　

 

 

　　通过图 9.3.1 中的 26 个启动 IO 即可实现 I.MX6U 从不同的设备启动， BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0 已经讲过了。看到这 24 个 IO 是不是头大？调整这 24 个 IO 的高低电平得多复杂啊？其实不然，虽然有 24 个 IO，但是实际需要调整的只有那几个 IO，其它的 IO 全部下拉接地即可，也就是设置为 0。打开 I.MX6U-ALPHA 开发板的核心板原理图，这 24 个 IO 的默认设置如图所示

 　　　　　　　　　　　　

 

 

　　可以看出在图中大部分的 IO 都接地了，只有几个 IO 接高，尤其是 BOOT_CFG4[7:0] 这 8 个 IO 都 10K 电阻下拉接地， 所以我们压根就不需要去关注 BOOT_CFG4[7:0]。我们需要重点关注的就只剩下了 BOOT_CFG2[7:0]和 BOOT_CFG1[7:0]这 16 个 IO。这 16 个配置 IO 含义在原理图的左侧已经贴出来了，如图所示：

 　　　　　　　　　　　　

 

 

　　上图看着是不是也很头大， BOOT_CFG1[7:0]和 BOOT_CFG2[7:0]这 16 个 IO 还能不能在减少呢？可以！打开 I.MX6U-ALPHA 开发板的底板原理图，底板上启动设备选择拨码开关原理图如图所示：

 　　　　　　　　　　　　

 

 

　　在上 图 中 ， 除 了 BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0 必 须 引 出 来 ，LCD_DATA3~LCDDATA7、 LCD_DATA11 这 6 个 IO 也被引出来了，可以通过拨码开关来设置其对应的高低电平，拨码开关拨到“ON”就是 1，拨到“OFF”就是 0。其中 LCD_DATA11 就是 BOOT_CFG2[3]， LCD_DATA3~LCD_DATA7 就是 BOOT_CFG1[3]~BOOT_CFG1[7]，这 6 个IO 的配置含义如表所示：

 　　　　　　　　　　　　

 

　　根据上表中的 BOOT IO 含义， I.MX6U-ALPHA 开发板从 SD 卡、 EMMC、 NAND 启动的时候拨码开关各个位设置方式如表所 示：

 　　　　　　　　　　　　

 

NXP(恩智浦官方提供的手册，有关 boot 启动模式讲解的很详细，我也没看全，后续有新的理解再加以补充)