痞子衡嵌入式：恩智浦i.MX RTxxx系列MCU启动那些事- 从Serial(1-bit SPI) NOR恢复启动

Posted 2020-11-24 henjay724

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　　大家好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家介绍的是恩智浦i.MX RTxxx系列MCU的1-bit SPI NOR恢复启动。

　　在前几篇里痞子衡介绍的Boot Device都属于主动启动的Master Boot Device（Serial(Multi-IO) NOR, SD/eMMC），试想一下如果遇到这样的情况，你选择启动的某个Master Boot Device正常工作一段时间后某次开机突然因为某种未知原因无法启动了，此时系统无法正常工作，但如果你希望系统能够有一定的容错/鲁棒能力，即使这种场合下也能够保证基本工作，那应该怎么做？别担心，i.MXRTxxx BootROM提供了一种解决方案，即Recovery Boot机制，BootROM支持Serial NOR作为Recovery Boot Device，你只需要将备份application事先放进Recovery Boot Device即可，任何主动启动的Master Boot Device启动失败，BootROM会自动启动Recovery Boot Device中的备份application保证系统能正常工作，是不是觉得recovery boot很贴心？今天痞子衡就为大家介绍Recovery Boot：

一、支持的Serial NOR

　　i.MXRTxxx支持加载恢复启动的主要是1-bit SPI接口（其实Multi-IO也行，只要支持1bit read/normal read模式）的NOR Flash。Serial NOR厂商非常多，对应Serial NOR芯片型号也很多，如果你在选型时不确定到底该为i.MXRTxxx选择哪一款Serial NOR时，可选用下面三款芯片，痞子衡均实测过：

Adesto AT25SF641-SUB-T          （NOR Flash, Multiple I/O, 104MHz,     256B Page/4-32-64KB Sector/64Mb Device）
Micron MT25QL128ABA1ESE-OSIT    （NOR Flash, Multiple I/O, 133MHz-STR, 64B Page/4-32-64KB Sector/128Mb Device）
Spansion S25FL129P              （NOR Flash, Multiple I/O, 80MHz,      256B Page/4-8-64-256KB Sector/128Mb Device）

Note1: BootROM固定使用SPI Mode(0,0)（即CPOL=0, CPHA=0），24MHz SPI Clk去访问外部NOR。
Note2: 在BootROM的Device Boot模式下想要启动NOR不需要知道任何Flash属性参数（如Sector/Page Size），因此Device Boot模式下仅需要指定SPI Port连接即可。
Note3: 在BootROM的Serial ISP模式下擦写NOR时需要知道其Sector/Page Size，ROM支持两种方式获取Sector/Page Size，一是手工填写参数，另一个是利用SFDP。
Note4: BootROM主要支持3bytes（存储范围为1Mb - 128Mb）地址的外部NOR，其实市面上3bytes地址位的EEPROM也可以用作Recovery Boot Device（不过BootROM仅能在Device Boot模式下启动(读)EEPROM，但不支持Serial ISP模式下擦写EEPROM）。

二、Serial NOR硬件连接

　　确定了Serial NOR芯片选型后，底下便进入Serial NOR硬件电路设计及与i.MXRTxxx的信号连接环节：

　　i.MXRTxxx对于Serial NOR的底层接口支持是通过内部Flexcomm SPI这个IP实现的，i.MXRTxxx内部一共有8个Flexcomm SPI，BootROM对这8组Flexcomm SPI都支持，具体pinmux如下（适用RT600）：

　　如下是典型的QSPI NOR硬件连接设计，示例NOR芯片是AT25SF641-SUB-T，该NOR芯片为Multiple I/O，数据线为DQ[3:0]，当用作1-bit SPI模式时，仅需连接DQ[1:0]：

三、Serial NOR加载启动过程

　　确保Serial NOR硬件相关设计无误之后，底下便是下载更新Bootable Image进Serial NOR以供BootROM加载启动了，在下载Bootable image之前有必要先了解Serial NOR的加载启动过程：

　　痞子衡在启动系列文章的第五篇 Bootable image格式与加载(elftosb/.json) 里的最后已经介绍过Non-XIP image加载启动过程，这个过程其实已经充分地描述了Serial NOR的加载启动过程。
　　有了Non-XIP image加载启动的背景知识，Serial NOR的加载启动过程便是上电之后，在主动选择的Master Boot Device启动失败之后，BootROM会从Serial NOR偏移0x1000地址处读取image header数据（一共64个字节），找到其中的imageLength和imageLoadAddress，这样就知道了Application加载起始地址以及总长度，然后再将Application全部拷贝到相应SRAM里去启动，其过程如下图所示：

四、下载Application进Serial NOR

　　理解了Serial NOR加载启动过程，我们便可以开始使用BootROM的Serial ISP模式去下载Application进Serial NOR芯片中：

　　痞子衡在启动系列文章的第三篇 Serial ISP模式(blhost)) 和第五篇 Bootable image格式与加载(elftosb/.json) 里分别介绍了Serial ISP模式的使用以及如何将你的Application制作成Bootable image，后续内容假定你已经制作好一个Bootable image并且使用blhost工具与BootROM的Serial ISP模式建立了基本通信，正要开始将Bootable image下载进Serial NOR。

　　跟Master Boot Device不同的是，Serial NOR不支持configuration block，configuration block结构原型是下面的spi_mem_config_t，下文提及的简化option block其实就是用来设置这个configuration block的。

//! @brief Serial NOR Config block structure
typedef struct
{
    uint8_t tag;
    uint8_t memoryType;
    uint8_t blockEraseAvailable;
    uint8_t sfdpTableAvailable;
    uint8_t sectorEraseCmd;
    uint8_t blockEraseCmd;
    uint8_t chipEraseCmd;
    uint8_t addressBits;
    uint32_t pageSizeInBytes;
    uint32_t sectorSizeInBytes;
    uint32_t blockSizeInBytes;
    uint32_t memorySizeInBytes;
} spi_mem_config_t;

　　前面扯了些没用的，那么到底怎么样将Bootable image数据下载进Serial NOR中呢？当然还是靠Serial ISP模式，我们只需要提供简化的4byte配置数据即可。下面是一种Application下载更新示例（该示例适用于 Serial NOR芯片AT25SF641-SUB-T）：

// 在SRAM里临时存储1bit SPI NOR配置数据
blhost -p COMx -- fill-memory 0x1C000 0x4 0xC0100000 // Flexcomm SPI1, Default NOR Flash

// 使用1bit SPI NOR配置数据去配置Flexcomm SPI接口
blhost -p COMx -- configure-memory 0x110 0x1C000

　　在上述示例里痞子衡首先使用了fill-memory命令在0x1C000地址处暂存了4byte配置数据，然后通过config-memory将这4byte数据里的信息配置到Serial NOR接口中，实际上这2个命令成功执行后，你就可以开始使用Serial ISP命令下载Bootable image了。那么这4byte配置数据到底是怎么组织的？详见下表：

　　从上表我们可以知道，其实这4byte数据提供的配置信息主要是SPI连接以及NOR Device属性配置。configure-memory命令执行成功之后，底下image的下载很简单，只需要将Bootable image从Serial NOR起始地址开始下载即可，具体步骤如下：

// 擦除1bit SPI NOR并将image下载进1bit SPI NOR
blhost -p COMx -- flash-erase-region 0x0 0x20000 0x110
blhost -p COMx -- write-memory 0x1000 bt_image.bin 0x110

　　Bootable image下载成功之后，我们可以试着用read-memory从Serial NOR芯片里读回Application确认一下，Bootable image起始地址在0x1000，痞子衡下载的是一个长度为13516byte，从0x80000处开始链接的Non-XIP image，这从读回的image header解析里可以证实：

　　至此，Application的下载工作便结束了。

五、进入Serial NOR备份启动模式

　　Application已经被成功下载进Serial NOR芯片之后，此时我们便可以开始设置芯片从Serial NOR启动：

　　痞子衡在前面的文章 Boot配置(ISP Pin/OTP) 介绍过Boot行为模式有两种选择方式（通过OTP或ISP pin）。在OTP里，如果设置PRIMARY_BOOT_SRC[3:0]为SPI_FLASH_BOOT（即4b‘0111），则芯片直接从1bit SPI NOR启动，不再需要先经过Master Boot Device，这相当于将1bit SPI NOR地位提升到Master Boot Device。
　　不过1bit SPI NOR启动最常用的Boot行为模式配置不是上面那种，而是真的用作Recovery Boot Device，这才是它的最大意义所在，如下表所示，共有6种不同的配置（橘色框里）均能使能备份启动模式（适用RT600）。

六、配置OTP启动Serial NOR

　　设置好芯片启动模式是从Serial NOR备份启动之后，我们还需要最后关注一下与Serial NOR相关的具体特性配置：

　　Serial NOR的Device配置非常简单，只需要在OTP里指定SPI index即可（在BOOT_CFG[0]里的REDUNDANT_SPI_PORT里），痞子衡在文章第一节的Note2里就备注过，在BootROM的Device Boot模式下想要启动1bit SPI NOR不需要知道任何Flash属性参数（如Sector/Page Size），因此只要指定是哪个SPI Port就行了。

七、几个注意事项

1. 市面上基本大于64KB的QSPI NOR均支持1bit read/normal read模式。
2. 虽然从Serial NOR启动的设计目的是用于recovery boot，但如果你硬要将Serial NOR作为系统里的唯一Boot Device，也并不是不可以（假设Recovery Boot没有升级为Master Boot），你需要在板级设计时考虑与Master Boot Device连接的i.MXRTxxx相关引脚在上电时的电平转换（BootROM总是会尝试先启动Master Boot Device）的影响。

　　上述所有步骤全部完成之后，复位芯片你就应该能看到你放在Serial NOR里的Application已经正常地启动了。

　　至此，恩智浦i.MX RTxxx系列MCU的1-bit SPI NOR恢复启动痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~