嵌入式Linux系統(tǒng)移植開發(fā)中i.MX6UL芯片上電的分析過程

這期內(nèi)容當中小編將會給大家?guī)碛嘘P嵌入式Linux系統(tǒng)移植開發(fā)中i.MX6UL芯片上電的分析過程，文章內(nèi)容豐富且以專業(yè)的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。

i.MX6UL 芯片上電過程分析

        嵌入式Linux系統(tǒng)移植開發(fā)-基于Yocto構建嵌入式u-boot,內(nèi)核,文件系統(tǒng)

        在分析i.MX6UL 的u-boot啟動過程之前，先來分析一下i.MX6UL芯片一上電的時候，執(zhí)行了哪些操作，進行了哪些處理。這個上電過程，通常是指處理器芯片從上電開始，到執(zhí)行到BootLoader的匯編入口函數(shù)（如u-boot的入口函數(shù)是_start函數(shù)）之前的過程。

        很多初學者或者一部分單片機工程師都會認為，芯片一上電的時候，首先執(zhí)行的程序是類似u-boot之類的BootLoader，或者是單片機程序里面類似于xxxx_start_up.S的啟動文件，更有很多單片機工程師認為，芯片一上電就去執(zhí)行main()函數(shù)。其實，大部分嵌入式處理器芯片一上電的時候，首先執(zhí)行的既不是BootLoader，也不是執(zhí)行類似于xxxx_start_up.S的啟動文件。而是執(zhí)行一段開發(fā)者看不見摸不著的程序，通常把這段程序稱為BootROM。這段程序在嵌入式處理器芯片生產(chǎn)設計的時候就被芯片設計廠家固化在芯片里面，開發(fā)者作為使用芯片的角色，不需要獲得BootROM的源碼，也不需要對BootROM源碼進行改寫。但作為開發(fā)工程師，了解一下BootROM的工作原理，可以對芯片上電的啟動過程，有更深刻的認識。

        先來看看i.MX6UL的芯片上電流程，如下圖所示：

（1）芯片上電復位啟動后，首先檢測CPU_ID，然后再檢測復位的類型。

（2）復位啟動類型主要分兩種：正常啟動模式和從低功耗啟動模式。

（3）如果從低功耗模式啟動，芯片會先檢測是否允許喚醒，如果否，芯片會清除低功耗狀態(tài)，然后復位。如果是，則進行喚醒處理，并跳轉到有效鏡像執(zhí)行。

（4）如果是正常啟動模式，則會根據(jù)eFUSES或GPIO引腳狀態(tài)，決定啟動的方式，啟動方式分別有三種：從eFUSES啟動、進入Serial Downloader啟動、進入Internal Boot啟動。后面會講解這三種啟動方式。

        （4.1）如果是進入Serial Downloader啟動，則會通過USB的方式下載和校驗鏡像。

        （4.2）eFUSES啟動和Internal Boot啟動，其實是類似的，區(qū)別在于，eFUSES的啟動方式不能通過GPIO引腳進行改寫。而Internal Boot啟動可以根據(jù)GPIO引腳來改變不同的啟動方式。啟動方式還需要配合BT_FUSE_SEL來進行判斷。

        （4.3）如果通過GPIO引腳選擇了Internal Boot啟動，則會從外部設備加載啟動鏡像，如果鏡像加載成功，則會執(zhí)行加載后的啟動鏡像（通常是u-boot）。如果加載鏡像失敗，那就跳轉到Serial Downloader啟動，通過USB的方式下載啟動鏡像。

        總的來說，i.MX6UL這款芯片的BootROM的主要功能是，根據(jù)內(nèi)部eFUSES或者外部GPIO的狀態(tài)，來判斷芯片從哪里（可以是SD卡，NandFlash，eMMC等）加載啟動鏡像，然后再從啟動鏡像獲取芯片的初始化方式（啟動鏡像u-boot.imx就是u-boot.bin + header數(shù)據(jù)的集合，這個header數(shù)據(jù)就是提供給芯片的BootROM使用的），最后通過絕對地址，跳轉到啟動鏡像那里，執(zhí)行第一句用戶程序指令（通常是u-boot里面的_start函數(shù)，通過u-boot.lds鏈接腳本，可以看到u-boot的第一個函數(shù)入口，接下來才是u-boot的啟動過程）。

        對于低功耗模式的啟動，本章不作分析，本章重在分析Normal Boot的啟動方式，即正常模式啟動，在Normal Boot的啟動模式下，主要有三種啟動方式：從eFUSES啟動、進入Serial Downloader啟動、進入Internal Boot啟動。這三種啟動方式主要是通過BOOT_MODE[1:0]寄存器以及BT_FUSE_SEL這個eFUSES標志共同決定的。BOOT_MODE[1:0]和BT_FUSE_SEL的真值表如下所示：

        對于調(diào)試環(huán)境，通常使用BOOT_MODE [1:0] = 10 和 BT_FUSE_SEL = 1來進行配置，方便開發(fā)人員進行調(diào)試。對于生產(chǎn)環(huán)境，通常使用BOOT_MODE [1:0] = 00 和 BT_FUSE_SEL = 1來進行配置，芯片不再允許調(diào)試，每次上電都從boot_device啟動。（這里的boot_device是指NandFlash，SD卡，eMMC之類的存有啟動鏡像的設備）芯片有BOOT_MODE0、BOOT_MODE1、POR_B三個外部引腳，BOOT_MODE0和BOOT_MODE1這兩個引腳的狀態(tài)會在POR_B引腳的上升沿被捕獲，然后這兩個引腳的狀態(tài)會被記錄在SRC_SBMR2寄存器的BMOD[1:0]這兩個位，后續(xù)這兩個引腳的狀態(tài)不再影響芯片內(nèi)部的BOOT_MODE寄存器。

        “從eFUSES啟動”和“進入Internal Boot啟動”這兩種啟動方式比較類似，差別就在于，Internal Boot啟動可以通過某些GPIO來覆寫eFUSES的值，所以，在使用開發(fā)板調(diào)試的時候，Internal Boot啟動用得比較多。針對作者編寫本章節(jié)時使用的開發(fā)板是TQ-i.MX6UL，這款開發(fā)板的核心板是使用256MB NandFlash的，開發(fā)板也支持SD卡啟動和燒錄系統(tǒng)鏡像，因此，后面來分析一下，i.MX6UL使用NandFlash作為boot_device的啟動過程。

        i.MX6UL芯片通過NandFlash啟動的時候，因為BootRom還不知道具體的NandFlash型號，所以BootRom會以一個通用但不是最優(yōu)的通信時序跟NandFlash通信，從NandFlash里面讀取一個啟動控制塊（Boot Control Blocks，簡稱BCB），這個啟動控制塊里面包含了兩個數(shù)據(jù)結構：固件控制塊（Firmware Configuration Block，簡稱FCB）和壞塊表（Discovered Bad Block Table，簡稱DBBT）。

        FCB固件控制塊受NandFlash的硬件ECC保護，確保FCB的正確性。在芯片一上電的時候，BootRom會讀取NandFlash的第一個塊里面的第一頁共2112字節(jié)的內(nèi)容（2048 字節(jié)的頁大小 + 64字節(jié)的備用空間）。如果這2112字節(jié)里面不是有效的FCB數(shù)據(jù)，則會繼續(xù)跳轉查找下一個FCB數(shù)據(jù)，如果達到最大的查找次數(shù)還沒有找到有效的FCB，則BootRom里面的NandFlash驅動會回應一個錯誤，并讓芯片進入Serial Downloader模式進行啟動。

        如果查找到有效的FCB，由于FCB里面包含了DBBT的地址頁信息，BootRom則會根據(jù)FCB里面的地址，再去查找DBBT。如果在FCB里面關于DBBT的查找區(qū)域是0，則表明這個NandFlash沒有壞塊存在。

        關于FCB固件控制塊和DBBT壞塊表的數(shù)據(jù)結構。FCB固件控制塊的數(shù)據(jù)結構，如下圖所示：

        DBBT壞塊表的數(shù)據(jù)結構里面，包含了以下信息：DBBT的指紋信息，版本號，DBBT壞塊表的大小，壞塊的數(shù)量，壞塊的編號，等等。

        總結一下：FCB和DBBT位于NandFlash最開始的位置，芯片上電時由BootROM去讀取這兩個數(shù)據(jù)結構的內(nèi)容，F(xiàn)CB包含了NandFlash的最佳工作時序，也包含了第一個啟動固件的起始頁地址（這里指的是u-boot.imx的存放頁地址）。BootRom會通過NandFlash最佳的工作時序去初始化NandFlash，找出u-boot.imx存放在哪個頁位置，加載u-boot.imx后開始解析u-boot.imx的Header頭部數(shù)據(jù)。

        我們下載到開發(fā)板的u-boot文件，全稱是“u-boot.imx”，這個文件是u-boot.bin和一些Header頭部數(shù)據(jù)的集合。這些Header頭部數(shù)據(jù)是在編譯u-boot的時候，由mkimage工具調(diào)用格式類型為imximage的解釋器來生成的。mkimage把這些頭部數(shù)據(jù)和u-boot.bin一起打包為u-boot.imx格式文件。這個u-boot.imx文件，在手冊里面被稱作為Program Image。

        Program Image（即u-boot.imx）包含以下幾方面的內(nèi)容：

（1）Image Vector Table —— 鏡像向量表，簡稱IVT，位于固定地址的指針列表，ROM檢查該列表以確定程序映像的其他組件所在的位置。

（2）Boot Data —— 表示程序鏡像的位置，鏡像大小，以及插件標志。

（3）Device Configuration Data —— 表示芯片IC的初始化數(shù)據(jù)。

（4）User Code and Data —— 用戶代碼和數(shù)據(jù)

        Program Image（即u-boot.imx）的內(nèi)存圖如下圖所示：

        對于TQ-i.MX6UL開發(fā)板，其配套的u-boot.imx文件的16進制數(shù)據(jù)以及分析，如下圖所示：

        i.MX6UL使用NandFlash作為啟動設備，上電過程總結如下：

        芯片內(nèi)置的BootRom程序會根據(jù)外部BOOT_MODE[1:0]引腳的狀態(tài)，決定芯片是通過內(nèi)部啟動模式，從NandFlash進行芯片啟動，啟動時所需的FCB和DBBT都存放在NandFlash最開始的4k空間里，通過讀取FCB和DBBT，可以獲取NandFlash的最佳工作時序，壞塊表情況，以及u-boot.imx在NandFlash的存放位置。u-boot.imx其實就是u-boot.bin加上Header數(shù)據(jù)的集合。當知道u-boot.imx的存放位置后，隨即把u-boot.imx的前2k字節(jié)復制到芯片的內(nèi)部RAM進行解析，不能復制到外部RAM，因為此時外部RAM還沒有初始化。這2K字節(jié)就是IVT信息，BootData信息，DCD信息。其中，IVT信息里面包含了u-boot.bin的鏈接地址，可以通過這個地址讓芯片跳轉到u-boot程序，并開始執(zhí)行u-boot的第一條程序語句。

上述就是小編為大家分享的嵌入式Linux系統(tǒng)移植開發(fā)中i.MX6UL芯片上電的分析過程了，如果剛好有類似的疑惑，不妨參照上述分析進行理解。如果想知道更多相關知識，歡迎關注億速云行業(yè)資訊頻道。