「正点原子Linux连载」第九章I.MX6U启动方式详解

本帖最后由 正点原子运营官 于 2019-12-18 10:57 编辑

2）摘自《正点原子I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南》
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第九章I.MX6U启动方式详解
       I.MX6U支持多种启动方式以及启动设备，比如可以从SD/EMMC、NAND Flash、QSPI Flash等启动。用户可以根据实际情况，选择合适的启动设备。不同的启动方式其启动方式和启动要求也不一样，比如上一章中的从SD卡启动就需要在bin文件前面添加一个数据头，其它的启动设备也是需要这个数据头的。本章我们就来学习一下I.MX6U的启动方式，以及不同设备启动的要求。
9.1启动方式选择       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，后面就不能在修改了，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图9.1.1所示：


图9.1.1 BOOT_MODE原理图

       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。BOOT_MODE1和BOOT_MODE0这两个引脚我们也接到了底板的拨码开关上，这样我们就可以通过拨码开关来控制BOOT_MODE1和BOOT_MODE0的高低电平。以BOOT_MODE1为例，当我们把BOOT_CFG的第一个开关拨到“ON”的时候，就相当于BOOT_MODE1引脚通过R88这个10K电阻接到了3.3V电源，芯片内部的BOOT_MODE1又是100K下拉电阻接地，因此此时BOOT_MODE1的电压就是100/(10+100)*3.3V= 3V，这是个高电平，BOOT_CFG这个拨码开关的不管哪个位拨到“ON”就是高电平，拨到“OFF”就是低电平。
       而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9.1.1所示：


表9.1.1 BOOT类型
       在表9.1.1中，我们用到的只有第二和第三种BOOT方式。
9.1.1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，我们后面讲解如何使用。
9.1.2 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bootROM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。
9.2 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9.2.1所示：

图9.2.1boot ROM系统时钟设置
       在图9.2.1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L1ICache会打开，验证镜像的时候L1DCache、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。
9.3启动设备       当BOOT_MODE设置为内部BOOT模式以后，可以从一下设备中启动：
       、接到EIM接口的CS0上的16位NOR Flash。
       、接到EIM接口的CS0上的OneNAND Flash。
       、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。
       、Quad SPI Flash。
       、接到USDHC接口上的SD/MMC/eSD/SDXC/eMMC等设备。
       、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9.3.1所示：

图9.3.1启动引脚
       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9.3.1所示：

图9.3.1 BOOT_CFG默认设置
       可以看出在图9.3.1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9.3.2所示：

图9.3.2 BOOT_CFG引脚含义
       图9.3.2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9.3.3所示：

图9.3.3 BOOT选择拨码开关
       在图9.3.3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9.3.1所示：






表9.3.1 BOOT IO含义
根据表9.3.1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9.3.2所示：


表9.3.2 I.MX6U-ALPHA开发板启动设置
       我们在“第八章汇编LED灯试验”中，最终的可执行文件led.bin烧写到了SD卡里面，然后开发板从SD卡启动，其拨码开关就是根据表9.3.2来设置的，通过上面的讲解就知道为什么拨码开关要这么设置了。
9.4镜像烧写注意！本小节会分析bin文件添加的头部信息，但是在笔者写本教程的时候关于I.MX系列SOC头部信息的资料很少，基本只能参考NXP官方资料，而官方资料有些地方讲解的又不是很详细。所以本节有部分内容是笔者根据NXP官方u-boo.imx文件的头部信息反推出来的，因此难免有错误的地方，还望大家谅解！如有发现错误之处，欢迎大家在www.openedv.com论坛上留言。
       前面我们设置好BOOT以后就能从指定的设备启动了，但是你的设备里面得有代码啊，在第八章中我们使用imxdownload这个软件将led.bin烧写到了SD卡中。imxdownload会在led.bin前面添加一些头信息，重新生成一个叫做load.imx的文件，最终实际烧写的是laod.imx。那么肯定就有人问：imxdownload究竟做了什么？load.imx和led.bin究竟是什么关系？本节我们就来详细的讲解一下imxdownload是如何将led.bin打包成load.imx的。
       学习STM32的时候我们可以直接将编译生成的.bin文件烧写到STM32内部flash里面，但是I.MX6U不能直接烧写编译生成的.bin文件，我们需要在.bin文件前面添加一些头信息构成满足I.MX6U需求的最终可烧写文件，I.MX6U的最终可烧写文件组成如下：
       、Image vectortable，简称IVT，IVT里面包含了一系列的地址信息，这些地址信息在ROM中按照固定的地址存放着。
       、Bootdata，启动数据，包含了镜像要拷贝到哪个地址，拷贝的大小是多少等等。
       、Deviceconfigurationdata，简称DCD，设备配置信息，重点是DDR3的初始化配置。
       、用户代码可执行文件，比如led.bin。
       可以看出最终烧写到I.MX6U中的程序其组成为：IVT+Bootdata+DCD+.bin。所以第八章中的imxdownload所生成的load.imx就是在led.bin前面加上IVT+Bootdata+DCD。内部Boot ROM会将load.imx拷贝到DDR中，用户代码是要一定要从0X87800000这个地方开始的，因为链接地址为0X87800000，load.imx在用户代码前面又有3KByte的IVT+Boot Data+DCD数据，下面会讲为什么是3KByte，因此load.imx在DDR中的起始地址就是0X87800000-3072=0X877FF400。　
9.4.1 IVT和Boot Data数据       load.imx最前面的就是IVT和Boot Data，IVT包含了镜像程序的入口点、指向DCD的指针和一些用作其它用途的指针。内部Boot ROM要求IVT应该放到指定的位置，不同的启动设备位置不同，而IVT在整个load.imx的最前面，其实就相当于要求load.imx在烧写的时候应该烧写到存储设备的指定位置去。整个位置都是相对于存储设备的起始地址的偏移，如图9.4.1.1所示：

图9.4.1.1  IVT偏移
       以SD/EMMC为例，IVT偏移为1Kbyte，IVT+Bootdata+DCD的总大小为4KByte-1KByte=3KByte。假如SD/EMMC每个扇区为512字节，那么load.imx应该从第三个扇区开始烧写，前两个扇区要留出来。load.imx从第3KByte开始才是真正的.bin文件。那么IVT里面究竟存放着什么东西呢？IVT里面存放的内容如图9.4.1.2所示：

图9.4.1.2 IVT格式
       从图9.4.1.2可以看到，第一个存放的就是header(头)，header格式如图9.4.1.3所示：

图9.4.1.3 IVT header格式
       在图9.4.1.3中，Tag为一个字节长度，固定为0XD1，Length是两个字节，保存着IVT长度，为大端格式，也就是高字节保存在低内存中。最后的Version是一个字节，为0X40或者0X41。
       Boot Data的数据格式如图9.4.1.4所示：

图9.4.1.4 Boot Data数据格式
实际情况是不是这样的呢？我们用winhex软件打开load.imx一看便知，winhex可以直接查看一个文件的二进制格式数据，winhex软件我们已经放到了开发板光盘中，路径为：开发板光盘->3、软件->winhexv19.7.zip，大家自行安装。用winhex打开以后的load.imxd如图9.4.1.4所示：

图9.4.1.4load.imx部分内容
       图9.4.1.4是我们截取的load.imx的一部分内容，从地址0X00000000~0X000025F，共608个字节的数据。我们将前44个字节的数据按照4个字节一组组合在一起就是：0X402000D1、0X87800000、0X00000000、0X877FF42C、0X877FF420、0X877FF400、0X00000000、0X00000000、0X877FF000、0X00200000、0X00000000。这44个字节的数据就是IVT和Boot Data数据，按照图9.4.1.2和图9.4.1.4所示的IVT和Boot Data所示的格式对应起来如表9.4.1.1所示：


表9.4.1.1load.imx结构分析


表9.4.1.1load.imx结构分析

       在表9.4.1.1中，我们详细的列出了load.imx的IVT+Boot Data每32位数据所代表的意义。这些数据都是由imxdownload这个软件添加进去的。
9.4.2 DCD数据       复位以后，I.MX6U片内的所有寄存器都会复位为默认值，但是这些默认值往往不是我们想要的值，而且有些外设我们必须在使用之前初始化它。为此I.MX6U提出了一个DCD(Device Config Data)的概念，和IVT、Boot Data一样，DCD也是添加到load.imx里面的，紧跟在IVT和Boot Data后面，IVT里面也指定了DCD的位置。DCD其实就是I.MX6U寄存器地址和对应的配置信息集合，Boot ROM会使用这些寄存器地址和配置集合来初始化相应的寄存器，比如开启某些外设的时钟、初始化DDR等等。DCD区域不能超过1768Byte，DCD区域结构如图9.4.2.1所示：

图9.4.2.1 DCD区域结构


       DCD的header和IVT的header类似，结构如图9.4.2.2所示：

图9.4.2.2 DCD的header结构
       其中Tag是单字节，固定为0XD2，Length为两个字节，表示DCD区域的大小，包含header，同样是大端模式，Version是单字节，固定为0X40或者0X41。
       图9.4.2.1中的CMD就是要初始化的寄存器地址和相应的寄存器值，结构如图9.4.2.3所示：

图9.4.2.3 DCD CMD命令格式
       图9.4.2.3中Tag为一个字节，固定为0XCC。Length是两个字节，包含写入的命令数据长度，包含header，同样是大端模式。Parameter为一个字节，这个字节的每个位含义如图9.4.2.4所示：

图9.4.2.4 Parameter结构
       图9.4.2.4中的bytes表示是目标位置宽度，单位为byte，可以选择1、2、和4字节。flags是命令控制标志位。
       图9.4.2.3中的Address和Vlalue/Mask就是要初始化的寄存器地址和相应的寄存器值，注意采用的是大端模式！DCD结构就分析到这里，在分析IVT的时候我们就已经说过了，DCD数据是从图9.4.1.4的0X2C地址开始的。根据我们分析的DCD结构可以得到load.imx的DCD数据如表9.4.2.1所示：




表9.4.2.1 DCD数据结构


       从图9.4.2.1中可以看出，DCD里面的初始化配置主要包括三方面：
       ①、设置CCGR0~CCGR6这7个外设时钟使能寄存器，默认打开所有的外设时钟。
       ②、配置DDR3所用的所有IO。
       ③、配置MMDC控制器，初始化DDR3。
       I.MX6U的启动过程我们就讲解到这里，本章我们详细的讲解了I.MX6U的启动模式、启动设备类型和镜像烧写过程。总结一下，我们编译出来的.bin文件不能直接烧写到SD卡中，需要在.bin文件前面加上IVT、Boot Data和DCD这三个数据块。这三个数据块是有指定格式的，我们必须按照格式填写，然后将其放到.bin文件前面，最终合成的才是可以直接烧写到SD卡中的文件。