迅為i.MX6ULL開發(fā)板啟動方式和鏡像文件格式

ID:245207 · 發(fā)表于 2020-6-10 11:13

i.MX6ULL 啟動方式啟動方式

I.MX6ULL 支持多種啟動方式，可以從 EMMC、SD 卡、NAND FLASH、USB、QSPI 等設(shè)備啟動。通過查看《IMX6ULL 參考手冊.pdf》手冊的第 8 章 System Boot，可我們可以了解到 i.MX6ULL 在上電以后，芯片 ROM里面固化的程序會根據(jù) BOOT_MODE[1:0]寄存器的值來選擇啟動方式。

BOOT_MODE[1:0]寄存器的值有兩種方式可以修改：一種是采用 eFuses（熔絲）的方式；另一種是是通過設(shè)置 BOOT_MODE[1:0]對應(yīng)的 GPIO 的狀態(tài)。我們在平常使用的時候基本都是采用設(shè)置 BOOT_MODE[1:0]對應(yīng)的 GPIO 狀態(tài)來選擇啟動方式的。

BOOT_MODE[1:0]對應(yīng)的 GPIO 引腳是 BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0，如下圖所示：

BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0 這兩個引腳在芯片內(nèi)部默認有 100K 的下拉，所以這兩個引腳在懸空狀態(tài)下默認是低電平（0）。我們把這兩個引腳引到了底板上，并連接到了撥碼開關(guān)上，撥碼開關(guān)對應(yīng)的另一端通過 10K 電阻接到了 3.3V 電源上，這樣我們可以通過撥碼開關(guān)來設(shè)置這兩個 IO 的狀態(tài)了（高電平或低電平）。如下圖所示：

從上面的截圖我們,可以看到如果我們要設(shè)置 BOOT1 和 BOOT0 為高電平我們需要將對應(yīng)的撥碼開關(guān)設(shè)置到“ON”位置，這樣就通過 10K 電阻上拉到 3.3V，芯片內(nèi)部有 100K 的下拉，所以此時這兩個 IO 的電平是：100/(10+100)*3.3V=3V，屬于高電平。

從參考手冊我們看到 BOOT_MODE[1:0]兩個 IO 可以設(shè)置四種狀態(tài)，對應(yīng)著四種啟動方式，如下圖所示：

從上圖可以看到 BOOT_MODE[1:0]：設(shè)置為 00 的時候從 Fuses 啟動，設(shè)置為 01 的時候串行下載，設(shè)置為 10 的時候內(nèi)部 Boot 模式，設(shè)置為 11 作為保留使用。我們用到的是“串行下載”和“內(nèi)部 Boot”模式這兩種。

首先我們來看下“串行下載”，它是指可以通過 USB 接口（板子的 OTG1 接口）將代碼下載到板子上然后運行。通過此方式我們可以實現(xiàn)開發(fā)板鏡像的燒寫（我們將在后面章節(jié)介紹具體的燒寫方法）。

然后我們看下“內(nèi)部 Boot 模式”，它是指在此種模式下，芯片會執(zhí)行內(nèi)部 ROM 里面固化的 boot 程序。這段程序會進行硬件的初始化，然后從 Boot 設(shè)備（EMMC、SD 卡、NAND FLASH）中讀取出鏡像到內(nèi)存中。如果在“內(nèi)部 Boot 模式”運行過程中發(fā)生錯誤，則會進入“串行下載模式”。

當 BOOT_MODE 設(shè)置為“內(nèi)部 Boot 模式”后，i.MX6ULL 可以從 SPI，EIM，NOR，SD，MMC，QSPI 等設(shè)備啟動，同時也可以配置相應(yīng)的參數(shù)（例如 SD 的總線寬度，速度等等）。啟動設(shè)備和對應(yīng)的參數(shù)我們可以使用 eFUSEs 的方式設(shè)置，也可以通過 GPIO 來配置（我們主要使用 GPIO 的方式）。下面我們來看一下如何通過 GPIO 設(shè)置啟動設(shè)備。

從參考手冊我們可以看到啟動設(shè)備主要通過三組 IO 來設(shè)置，他們分別是 BOOT_CFG1[7:0]，

BOOT_CFG2[7:0]，BOOT_CFG4[7:0]這三組 IO。如下圖所示：

從上圖我們可以看到這三組決定啟動設(shè)備的 IO 正好用到的 RGB 的 24 根數(shù)據(jù) IO，在 i.MX6ULL 芯片剛開始上電的時候這 24 個 IO 先作為“選擇啟動設(shè)備”的功能來使用，在 ROM 中的固化程序把啟動鏡像從啟動設(shè)備加載到內(nèi)存，并開始從啟動鏡像（Uboot）開始運行的時候，這 24 個 IO 就可以當做 RGB 來使用了。

現(xiàn)在我們來總結(jié)一下，i.MX6ULL 啟動流程：首先根據(jù) BOOT_MODE 的兩個 IO（BOOT_MODE1，BOOT_MODE0）先確定啟動方式，如果是串行下載模式，就會進入 USB 啟動模式。如果是“內(nèi)部 Boot”啟動方式，然后就根據(jù) BOOT_CFG1，BOOT_CFG2，BOOT_CFG4 這三組 IO 的配置來決定從哪種設(shè)備啟動（讀取啟動鏡像到內(nèi)存，并開始啟動）。

接下來我們看下 BOOT_CFG1，BOOT_CFG2，BOOT_CFG4 這三組 IO 是怎么配置啟動方式的，在我們的底板原理圖上有如下圖表：

上圖中最左側(cè)一列是支持的啟動設(shè)備，后面的每一列分別對應(yīng) BOOT_CFG 的 IO，我們可以看到?jīng)Q定啟動方式的是由 BOOT_CFG1 和 BOOT_CFG2 這兩組 IO 決定。打擊愛也許覺得這么多 IO 需要配置，操作起來太麻煩了，實際上這些 IO 中大部分都是默認下拉的，需要配置的只有 6 個，從我們的原理圖可以看到（因為我們用了一個 8 位的撥碼開關(guān)，其中有兩位是 BOOT_MOD 的），如下圖所示：

從上面的原理圖我們可以看到 8 位的撥碼開關(guān)一端上拉到 3.3V，另一端分別接到了 BOOT_MODE1，BOOT_MODE0，BOOTCFG2[3]，BOOTCFG1[3]，BOOTCFG1[4]，BOOTCFG1[5]，BOOTCFG1[6]，BOOTCFG1[7]。所以我們設(shè)置啟動方式，只需要修改這 8 位（有兩位是 BOOT_MODE）IO 的狀態(tài)，我們看下負責啟動方式的這 6 個 IO 的含義，如下表所示：

根據(jù)上面的表格，我們設(shè)置開發(fā)板分別從串行下載，EMMC，SD 卡，NAND FLASH 啟動的時候，可以按照下面的表格設(shè)置，如下表：

下面是 i.MX6ULL 終結(jié)者底板上的撥碼開關(guān)書屋圖片，如下圖所示：

上圖中的 8 位撥碼，撥到上面“ON”位置就是 1，撥到下面就是“0”，8 位撥碼按照表 2.1 中的設(shè)置就可以按照對應(yīng)的方式啟動

5.2 鏡像格式鏡像格式

I.MX6ULL 的鏡像文件由下面幾部分組成：

1.Image vector table 簡稱 IVT。

2.Boot data，啟動數(shù)據(jù)。

3.Device configuration data，簡稱 DCD，主要是芯片的配置信息

4.用戶代碼生成的執(zhí)行文件。比如 uboot 等。

所以 i.MX6ULL 的鏡像組成為：IVT+Boot Data+DCD+用戶程序。

我們首先看下 IVT 部分：它里面包含了程序的入口點，一個指向設(shè)備配置數(shù)據(jù)（DCD）的指針，以及其他在啟動過征中程被 ROM 固化程序用到的指針。IVT 被存儲在啟動設(shè)備固定的位置（但是不同的啟動設(shè)備保存的位置可能會不一樣）。IVT 在鏡像文件的最前面，下圖是不同啟動設(shè)備，IVT 所在的位置偏移（相對于設(shè)備首地址）：

這里我們以 EMMC 為例，從上表可以看出他的偏移是 1Kbyte（1024 字節(jié)），假設(shè) EMMC 的每個扇區(qū)是 512字節(jié)，那么我們的 IVT 要從第三個扇區(qū)開始保存。我們從《IMX6ULL 參考手冊.pdf》的 8.7.1.1 章節(jié)可以看到IVT 的數(shù)據(jù)格式如下圖所示：

其中的 Tag 是一個字節(jié)設(shè)置為 0xD1，length 是 2 個字節(jié)，按照大端模式存儲，表示 IVT 的長度，對后一個Version 是版本信息，占用一個字節(jié)，通常為 0x40 或 0x41。由于《IMX6ULL 參考手冊.pdf》文檔只有 header的描述其它幾個字節(jié)的描述沒有涉及。我們可以打開編譯生成的Uboot鏡像uboot.imx查看下它里面的內(nèi)容。

接下來是 Boot data，它的數(shù)據(jù)格式如下所示：

從上圖可以看出 Boot data 一共是三個字段，每個字段 32 位。

然后是 DCD，DCD 緊跟在 Boot Data 后面，IVT 里面也定義了 DCD 的位置。DCD 主要是初始化片內(nèi)的寄存器。

DCD 的數(shù)據(jù)格式如下圖所示：

第一個是 Header 包頭信息，他是一個 32 位的包頭，具體定義如下所示：

Tag 占一個字節(jié)，被設(shè)置為 0xD2；Length 占兩個字節(jié)，按照大端模式存儲，表示 DCD 的區(qū)域大�。ò^的長度），Version 占一個字節(jié)，設(shè)置為 0x40 或 0x41。

Header 后面的是 CMD 配置寄存器的字節(jié)，每個 CMD 的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

CMD 域的第一個是 Tag，占一個字節(jié)，設(shè)置為 0xcc；然后是 Lehgth 占兩個字節(jié)，按照大端模式存儲，表示該 CMD 的長度（包含 CMD 的包頭），Parameter 占一個字節(jié)，這個字的每個為含義如下圖所示：

上圖中的 bytes 表示目標位置寬度，單位為 byte，可以設(shè)置為 1，2，4 字節(jié)。Flags 是命令控制標志位。

然后 CMD 域后面的是 Address 和 Value/Mask。這兩個分別是要初始化的寄存器地址，設(shè)置的值。

緊接著 DCD 的就是我們的程序生成的.bin 文件。至此關(guān)于 i.MX6ULL 鏡像的組成格式我們就分析完成了。只是看上面的介紹大家也許感覺到會很枯燥，接下來我們結(jié)合 uboot.imx 鏡像，來一起看看這些數(shù)據(jù)的組織格式。我們使用 winhex 軟件（在光盤資料的“i.MX6UL 終結(jié)者光盤資料\02_開發(fā)所需軟件”目錄下面）打開光盤資料的“i.MX6UL 終結(jié)者光盤資料\06_開發(fā)板系統(tǒng)鏡像\uboot\emmc\u-boot.imx”文件，如下圖所示：

從上圖可以看出是按照小端方式顯示的，我們首先把前面 44 個字節(jié)按照 4 個字節(jié)一組的方式組合在一起就

是：0x402000D1，0x87800000，0x00000000，0x877FF42C，0x877FF420，0x877FF400，0x00000000，0x00000000。

這 8 組數(shù)據(jù)是 IVT 的數(shù)據(jù)，我們整理成下表：

然后是 Boot Data 域，我們把接下來的 12 個字節(jié)按照 4 個字節(jié)一組的方式組合在一起就是 0x877FF000，

0x0007E000，0x00000000。我們整理成下表所示：

從上面的表格我們可以看到 DCD 主要做了下面的配置：

1. 使能所有外設(shè)的時鐘。

2. 配置 DDR3 所用的所有 IO。

3. 配置 MMDC 控制器，初始化 DDR3。

關(guān)于 i.MX6ULL 的啟動流程和啟動鏡像文件格式我們就介紹到這里。通過本章的講解我們可以掌握 i.MX6ULL的啟動設(shè)置了。我們編譯出的二進制.bin 文件，不能直接燒寫到 EMMC 中，需要在它前面加上 IVT，Boot Data和 DCD 這三部分的數(shù)據(jù)域。我們之中燒寫到 EMMC 的鏡像文件時：IVT+Boot Data+CDC+用戶的.bin 文件。

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