痞子衡嵌入式:恩智浦i.MX RT1xxx系列MCU启动那些事(9) 从Parallel NOR启动

作者: 痞子衡

Raw NAND启动文章深入广大网友喜爱,短时间内阅读量飙升,这让痞子衡深入鼓舞,所以趁热打铁继续把从Parallel NOR启动也顺便一起讲了,为什么说是顺便呢?因为Parallel NOR与Raw NAND都是并行接口,属于同一门派,且这两种外存设备在i.MXRT内部是通过同一IP(SEMC)实现底层接口通信的,所以了解了Raw NAND启动,再来看Parallel NOR启动会觉得简单很多。


  大家好,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 RT1xxx系列MCU的Parallel NOR启动

  上一篇讲i.MXRT1xxx从Raw NAND启动的文章 从Raw NAND启动 一经放出,深入广大网友喜爱,短时间内阅读量飙升,这让痞子衡深入鼓舞,所以趁热打铁继续把从Parallel NOR启动也顺便一起讲了,为什么说是顺便呢?因为Parallel NOR与Raw NAND都是并行接口,属于同一门派,且这两种外存设备在i.MXRT内部是通过同一IP(SEMC)实现底层接口通信的,所以了解了Raw NAND启动,再来看Parallel NOR启动会觉得简单很多。话不多说,开讲。

一、支持的Parallel NOR

  依旧开门见山,i.MXRT1xxx支持加载启动的主要是兼容CFI/JESD68标准且内置EPSCD命令集(这个命令集是目前的主流,最新的NOR产品都是使用这个命令集)的ADM SLC Parallel NOR,至于数据线宽度,x8,x16都支持;关于时钟模式,i.MXRT105x/i.MXRT102x仅支持Asynchronous,i.MXRT106x既支持Asynchronous也支持Synchronous。关于Parallel NOR基本知识请先看一下痞子衡的另一篇文章 通用NOR接口标准(CFI-JESD68)及SLC Parallel NOR简介
  Parallel NOR厂商非常多,对应Parallel NOR芯片型号也很多,如果你在选型时不确定到底该为i.MXRT选择哪一款Parallel NOR时,可选用下面三款芯片,痞子衡均实测过:

Micron MT28EW128ABA1LPC-0SIT    (x8/x16 bits, 32B Page/128KB Block/128Mb Device,   Non-ADM, Asynchronous)
Winbond W29GL128CH9T            (x8/x16 bits, 64B Page/128KB Sector/128Mb Device,  Non-ADM, Asynchronous)
Spansion S29GL128S90TFI020      (x16 bits,    512B Page/128KB Sector/128Mb Device, Non-ADM, Asynchronous)

Note: ADM即地址线与数据线复用,为了减少pin脚,有些Parallel NOR芯片会将低bit地址线与数据线复用,但目前市面上主流Parallel NOR芯片还是Non-ADM(即地址与数据是不复用的)居多,i.MXRT虽不能直接连接Non-ADM NOR芯片,但在i.MXRT与Non-ADM NOR芯片之间使用一片74系列锁存器桥接一下便能正常工作。

二、Parallel NOR硬件连接

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

  i.MXRT对于Parallel NOR的底层接口支持是通过内部SEMC这个IP实现的,SEMC最多能支持五种设备(SDRAM, NAND, NOR, SRAM, 8080 Display),但SEMC接口信号是复用的,所以同一时刻仅能支持一种设备。下表是SEMC接口复用表,关于NOR接口信号,需要特别说一下的是CE信号和地址线宽度,从表中们可以看到NOR的CE4信号有6个,即有6种配置选择,但i.MXRT BootROM固定选择的是SEMC_CSX[0],至于地址线宽度,SEMC本身最大可支持28bits地址宽度,但是i.MXRT BootROM里最大只支持24bits地址宽度(即A0-A23,最大128Mb),这2点在设计NOR硬件连接时需要特别注意。

Note: 对于小容量Paralle NOR芯片(比如512KB,地址线A0-A18),i.MXRT当然也可以支持,SEMC未用的地址线(此处为A19-A23)可不用管。

  如下是典型的NOR硬件连接设计,示例NOR芯片是MT28EW128ABA1LPC-0SIT,该NOR芯片为Non-ADM,所以们使用了一片74ALVT16373锁存器桥接了一下,当WEIM_ADV_B信号为高电平时,锁存器Dx会输出给Qx,即此时WEIM_DATA[15:0]作为地址线输出给A[15:0],而WEIM_ADV_B信号为低电平时,WEIM_DATA[15:0]就是数据线(即此处WEIM_ADV_B作为ADV信号是高有效,这在后续配置NOR eFUSE时会涉及到)。

三、Parallel NOR加载启动过程

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

  痞子衡在启动系列文章的第六篇 Bootable image格式与加载(elftosb/.bd) 里的最后已经介绍过non-XIP image加载启动过程,但实际上那个过程主要适用于存储在外部NAND Flash中Bootable image加载启动,对于存储在外部Parallel NOR的Bootable image而言有一些区别,们知道NOR Flash是支持XIP执行的,所以从NOR启动有两种选择,一种是Non-XIP,另一种是XIP。
  对于Non-XIP启动而言,其基本流程与第六篇里介绍的non-XIP image加载启动过程类似,只有两点区别,第一个区别是存储在NOR Flash里的Bootable image中IVT偏移地址是固定在0x1000(对于NAND Flash,偏移固定是0x400);第二个区别是BootROM加载initial image的大小为12KB(对于NAND Flash,initial image是4KB),且这个initial image的加载不需要经过OCRAM缓存,BootROM是直接从NOR对应的SEMC map region去获取的。
  对于XIP启动而言,其基本流程与non-XIP image加载启动过程差异就比较大了,因为整个Bootable image都不需要搬运,BootROM直接从NOR对应的SEMC map region去获取IVT,BootData,Application,而BootROM中分配给SEMC NOR的XIP空间为0x90000000 - 0x90FFFFFF,所以XIP执行的Application需要链接在这个空间里。

  有了前面的背景知识,NOR的加载启动过程便是上电之后,BootROM先从NOR起始地址处加载initial image数据(12KB),再根据initial image里的IVT获取Application起始地址,如Application地址是链接在SRAM里,便认为这是个Non-XIP Application,然后再将Application拷贝到相应SRAM里去启动;如Application地址是链接在SEMC NOR XIP空间里,则不需要拷贝,直接原地XIP执行启动。

四、下载Application进Parallel NOR

  理解了Parallel NOR加载启动过程,们便可以开始使用Flashloader下载Application进Parallel NOR芯片中:

  痞子衡在启动系列文章的第四篇 Flashloader初体验(blhost) 和第六篇 Bootable image格式与加载(elftosb/.bd) 里分别介绍了Flashloader的基本使用以及如何将你的Application制作成Bootable image,但那里面制作的Bootable image主要是用于NAND启动,而对于NOR启动,其用于生成Bootable image的BD文件稍有不同。
  先来看Non-XIP的情况,下面是一个Non-XIP的BD文件示例,ivtOffset必须设0x1000,因为startAddress = 0x8000, initialLoadSize = 0x3000,所以Application只读段应从0xb000处开始链接:

options {
    flags = 0x00;
     Note: This is an example address, it can be any non-zero address in ITCM region
    startAddress = 0x8000;
    ivtOffset = 0x1000;
    initialLoadSize = 0x3000;
     Note: This is required if the default entrypoint is not the Reset_Handler 
           Please set the entryPointAddress to Reset_Handler address 
    // entryPointAddress = 0xd531;
}

sources {
    elfFile = extern(0);
}

section (0)
{
}

  再来看XIP的情况,下面是一个XIP的BD文件示例,ivtOffset也必须设0x1000,因为startAddress = 0x90000000, initialLoadSize = 0x3000,所以Application只读段应从0x90003000处开始链接:

options {
    flags = 0x00;
    startAddress = 0x90000000;
    ivtOffset = 0x1000;
    initialLoadSize = 0x3000;
     Note: This is required if the default entrypoint is not the Reset_Handler 
           Please set the entryPointAddress to Reset_Handler address 
    // entryPointAddress = 0x90005531;
}

sources {
    elfFile = extern(0);
}

section (0)
{
}

  假定你已经制作好Bootable image并且使用blhost工具与Flashloader建立了基本通信,正要开始将Bootable image下载进Parallel NOR。
  与Raw NAND启动一样,Parallel NOR也支持configuration block,只不过configuration block对于BootROM启动而言不是必需的,configuration block必须放在NOR Flash起始地址处,下面是其结构原型(如果你还有印象的话,你会发现它跟Raw NAND的semc_nand_config_t很像),如果想使能configuration block,你需要手动创建这256bytes数据,并且用其覆盖bootable image的前256bytes,在本文里暂不使能configuration block。

define SEMC_NOR_INIT_IMG_SIZE (12u * 1024)
define SEMC_NOR_MAX_SIZE (16U * 1024 * 1024)

define SEMC_MEM0_BASE (0x80000000u)
define SEMC_MEM1_BASE (0x90000000u)
define SEMC_MEM2_BASE (0xA0000000u)
define SEMC_MEM3_BASE (0xC0000000u)
define SEMC_MEM_NOR_AXI_BASE SEMC_MEM1_BASE

typedef struct __semc_nor_config
{
    semc_mem_config_t memConfig; //!< [0x000-0x04f]
    uint8_t vendorType;          //!< [0x050-0x050]
    uint8_t acTimingMode;        //!< [0x051-0x051]
    uint8_t deviceCommandSet;    //!< [0x052-0x052]
    uint8_t reserved0[77];       //!< [0x053-0x09f]
    uint32_t pageSizeInBytes;    //!< [0x0a0-0x0a3]
    uint32_t blockSizeInBytes;   //!< [0x0a4-0x0a7]
    uint32_t blockCount;         //!< [0x0a8-0x0ab]
    uint32_t reserved1[21];      //!< [0x0ac-0x0ff]
} semc_nor_config_t;

  前面铺垫了这么多,终于来到关键地方了,到底怎么样将Bootable image数据下载进Parallel NOR中呢?当然还是靠Flashloader工具,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(该示例适用于第二节里介绍的NOR硬件连接):

// 在SRAM里临时存储Parallel NOR配置数据
blhost -p COMx -- fill-memory 0x2000 0x4 0xD0000600 // CSX0, ADV high active, 16bits IO, safe AC timing mode

// 使用Parallel NOR配置数据去配置Parallel NOR接口
blhost -p COMx -- configure-memory 0x8 0x2000

  在上述示例里痞子衡首先使用了fill-memory命令在0x2000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Flashloader的Parallel 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Flashloader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:

  从上表们可以知道,其实这4byte数据提供的配置信息主要是NOR配置,这4byte里真正需要注意的只有两个地方(ADV Polarity、Data Port Size),其余可用固定配置。
  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SEMC NOR起始map地址开始下载即可,具体步骤如下:

// 擦除Parallel NOR并将image下载进Parallel NOR
blhost -p COMx -- flash-erase-region 0x90000000 0x20000
blhost -p COMx -- write-memory 0x90000000 ivt_image.bin

Note: 实测发现,RT1050 Flashloader 1.1里使用USB接口去下载Parallel NOR会报kStatus_SemcNOR_ProgramVerifyFailure错误,而使用UART接口下载则正常,应该是USB下载对NOR的支持有缺陷,期望在后续版本的Flashloader里修复这个问题。

  Bootable image下载成功之后,们可以试着用read-memory从NOR芯片里读回IVT,BootData,Application确认一下,Bootable image起始地址在0x90000000,那么IVT,BootData应该在0x90001000,Application应该在0x90003000:
  Non-XIP Bootable image读回情况如下,检查初始PC可知其链接在SRAM空间

  XIP Bootable image读回情况如下,检查初始PC可知其链接在SEMC NOR map空间 Note: 如果Application是XIP在SEMC NOR空间,其时钟初始化代码不能覆盖BootROM里对于SEMC的相关配置,否则XIP可能会失败。

  至此,Application的下载工作便结束了。

五、进入Parallel NOR启动模式

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

  在进入Boot Device选择之前,你首先需要确定BOOT_MODE[1:0]=2'b00,即芯片处于Boot From Fuses模式,并且将BT_FUSE_SEL(eFUSE偏移0x460处的32bit配置数据的bit4)烧写为1'b1,这里看不懂的朋友请温习痞子衡前面的文章 Boot配置(BOOT Pin/eFUSE)
  设置好正确Boot模式后,再来选择Boot Device,,你还需要将BOOT_CFG1[7:4](eFUSE偏移0x450处的32bit配置数据的bit7:4)烧写成4'b0001,此时便进入了从SEMC NOR启动模式。
  如果想确保i.MXRT芯片一定正在从Parallel NOR启动,可在芯片上电时使用Jlink调试器或者借助Flashloader读取芯片内部2个寄存器的值,这2个寄存器分别是SRC_SBMR1/2, 们设的关于启动模式的BOOT_MODE pins/BOOT_CFG pin/eFUSE偏移0x450配置值在上电时会自动加载到SRC_SBMR1/2寄存器里,BootROM主要是根据SRC_SBMR1/2寄存器的值来判断启动模式的。

  PS: BOOT_MODE[1:0]也可以设为2'b10,即芯片处于Internal Boot模式,此时需要确保BT_FUSE_SEL(eFUSE偏移0x460处的32bit配置数据的bit4)为1'b0和BOOT_CFG1[7:4]这四个pin的输入状态设为4'b0001。

六、配置eFUSE启动Parallel NOR

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

  你应该记得们在使用Flashloader下载Application的时候提供过4bytes的NOR配置数据,这4bytes的NOR配置数据是为了让Flashloader能够正确初始化Parallel NOR接口去访问NOR芯片(主要是写Bootable image),同样BootROM上电也需要初始化Parallel NOR接口去访问NOR芯片(主要是读Bootable image),所以BootROM也需要类似这4bytes NOR配置数据,而BootROM的NOR配置便放在如下的eFUSE区域里:

  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Parallel NOR里的Application已经正常地启动了。

  至此,恩智浦i.MX RT1xxx系列MCU的Parallel NOR启动痞子衡便介绍完毕了,掌声在哪里~~~

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