痞子衡嵌入式：在SBL項目實戰中妙用i.MXRT1xxx里SystemReset不複位的GPR寄存器

2021 年 6 月 3 日
筆記
D2.單片機i.MXRT-CM7

　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是i.MXRT1xxx里SystemReset不複位的GPR寄存器的小妙用。

　　我們知道稍大規模的項目代碼設計一般都是多人協作完成的，在項目開始階段的總體設計時，項目組長通常會將代碼按功能進行劃分，每個功能塊代碼之間盡量做到耦合度低、互不依賴、互不影響，這樣各功能可以獨立進行單元測試，項目得以並行開發，後期通過事先定義好的接口/協議進行功能塊集成即可。

　　但上述方法在嵌入式軟件項目里有時候會遇到功能塊集成後互相干擾的問題，因為嵌入式項目很多時候並不是純軟件設計，也會跟片內外設資源打交道，而片內外設屬於硬件範疇，硬件模塊的工作是有前後狀態依賴的（這點在片內時鐘的配置上體現得尤其明顯），出了問題傳統方法是具體分析具體解決，來一個就解決一個，但任何代碼的改動或者後期新特性的增加都可能會帶來新的潛在干擾問題。

　　那麼對於上述困境，有沒有一個一勞永逸的解決方法？其實是有的！那就是每個功能塊在設計時都不要依賴芯片初始狀態，按照進入時先清理系統環境，然後做功能設計，退出時做一下系統恢復。這種方法雖然保險，但是會引入集成後項目整體運行低效的問題。今天痞子衡要在具體項目實戰中介紹一種利用i.MXRT芯片內System Reset後不複位的GPR寄存器來解決屬性上互斥的功能代碼塊集成互相干擾問題的方法。

一、SBL項目中的痛點

　　恩智浦MCU SE團隊近期一直在加班加點趕一個大項目，這個項目是為客戶產品OTA需求而生的。我們知道在線升級是每個智能產品都不可繞開的話題，恩智浦SE團隊為了方便客戶在基於i.MXRT/LPC的產品上做在線升級，特別推出OTA參考設計，下面是功能架構簡圖：項目分為SBL + SFW兩部分，SBL負責ISP本地更新（UART/USB）以及App切換管理；SFW是一個示例App，其除了客戶項目業務功能外，也集成了遠程更新功能（WiFi、以太、U盤、SD卡四種升級方式）。

　　在SBL代碼設計里，主要有兩大子功能模塊：一個是ISP本地更新 (isp_boot_main)，另一個是App切換管理(sbl_boot_main)，其中ISP本地更新屬於可選項，而App切換管理是必選。

　　SBL的主流程是上電啟動運行後，先執行ISP本地更新功能塊，在超時時間內，如果有收到來自Host的ISP命令，則進入ISP命令處理，此後除非執行ISP複位命令或者有板級複位，否則不會退出ISP；

　　如果在超時時間內沒有收到ISP命令，則轉到App切換管理功能塊。在驗證App時，如果發現Flash里有合法App，則跳轉過去執行；如果沒有發現合法的App，會重新返回ISP本地更新（此時是無限超時）。大概主邏輯代碼如下：

#define COMPONENT_MCU_ISP
#define ISP_TIMEOUT (5) // in seconds

int main(void)
{
#if (defined(COMPONENT_MCU_ISP))
    // 先嘗試isp本地更新（有5s超時）
    bool isInfiniteIsp = false;
    isp_boot_main(isInfiniteIsp);
#endif

    // 無本地升級則進入app跳轉處理
    sbl_boot_main();
}

#if (defined(COMPONENT_MCU_ISP))
void isp_boot_main(bool isInfiniteIsp)
{
    if (isInfiniteIsp || ISP_TIMEOUT)
    {
        // isp相關功能外設初始化
        isp_boot_init();
        // 在5s超時時間內/無限超時去等待isp命令
        isp_boot_run(isInfiniteIsp);
    }
}
#endif

void sbl_boot_main(void)
{
    // 判斷Flash里是否存在合法的app
    if (sbl_boot_go() != 0) 
    {
#if (defined(COMPONENT_MCU_ISP))
        // 無合法app，重入isp本地更新（無限超時）
        bool isInfiniteIsp = true;
        isp_boot_main(isInfiniteIsp);
#endif
        NVIC_SystemReset();
    }
    else
    {
        // 有合法app，跳轉到app執行
        sbl_do_boot();
    }

    while (1);
}

　　上述SBL設計里，你會發現ISP本地更新和App切換管理兩個功能塊在執行上是互斥的，是Flash里的App處理需求將它們聯繫在了一起。從軟件集成角度來說，這兩個功能本不該互相影響，但實際上它們之間產生了互相影響，因為各自在設計時沒有遵循進入時清理系統、退出時恢復現場的準則，所以 isp_boot_main() 在超時結束後跳到 sbl_boot_main() 對其部分驗簽功能產生了影響，而 sbl_boot_main() 執行後沒找到合法App跳回 isp_boot_main() 時又出現ISP功能不正常的情況，我們需要解決這個問題。

二、尋找i.MXRT中理想的GPR寄存器

　　第一小節里描述的問題，可以通過功能塊退出時恢復現場來解決，但是每個模塊代碼量都比較大，使用代碼去逐一恢復現場不太容易。痞子衡想到的一個好辦法就是調用 NVIC_SystemReset() 函數來簡單粗暴地將芯片系統複位，我們所需要做的就是尋找一個區域，能夠臨時存放標誌位，並且這個區域內容不受系統軟複位的影響，芯片複位回來之後在SBL里增加對標誌位的判斷處理，處理結束後再將標誌位清掉。

　　在尋找這個不受系統軟複位影響的區域前，我們先對i.MXRT裏面的電源管理架構作個基本了解。下圖是i.MXRT1060的電源架構，除了USB和ADC模塊特殊供電需求外，芯片一共有四種電源輸入。在板級供電設計時，通常VDD_SNVS_IN需要單獨一路外部輸入（設計上應由電池供電），其他三路電源VDD_HIGH_IN / DCDC_IN / VDD_SOC_IN可共用一路外部輸入（芯片POR_B引腳往往連在這個外部輸入控制上）。

VDD_HIGH_IN：給芯片內部LDO供電
DCDC_IN：給芯片內部DCDC模塊供電
VDD_SOC_IN：給芯片主系統（Core，SoC，Memory）供電

VDD_SNVS_IN：給芯片內部SNVS域相關模塊供電

　　從芯片系統複位等級上來分，一共有三類複位：第一類是藉助Cortex-M7內核SCB模塊的AIRCR寄存器中集成的SYSRESETREQ複位的支持、第二類是DCDC重新上電（POR_B複位）、第三類是整體重新上電。依據這三種不同程度的複位，痞子衡整理了i.MXRT上所有可存放標誌位的區域受不同複位類型影響情況如下：

模塊 \ 複位類型	NVIC_SystemReset()	POR_B和DCDC重新上電	整體重新上電
TCM OCRAM IOMUXC_GPR SRC_GPR	保持	複位	複位
IOMUXC_SNVS_GPR SNVS_LPGPR	保持	保持	複位
Flash, eFuse	保持	保持	保持

　　根據上表，我們先排除掉NVM屬性的Flash和eFuse，它們不符合臨時存放、輕鬆讀寫的需求。TCM / OCRAM可用，但需要在SBL工程里做特殊處理，分配一塊.noinit區，並且要確定BootROM沒有使用這個區域，用起來還是有點麻煩。IOMUXC_GPR / SRC_GPR用起來簡單，但它們已被SoC / BootROM佔用了，不能隨便使用，對芯片產生的影響未知。IOMUXC_SNVS_GPR / SNVS_LPGPR這兩個都不錯，但後者在使能加密時有時會被用來存放用戶密鑰。所以 IOMUXC_SNVS_GPR 寄存器才是最佳選擇，這也是真正意義上開放給用戶自由使用的GPR寄存器。

三、在SBL項目中使用GPR寄存器

　　現在我們找到了理想的 IOMUXC_SNVS_GPR 寄存器，那麼可在SBL代碼中增加兩個函數 isp_cleanup_enter()、isp_cleanup_exit()，前者用於觸發軟複位前標記狀態，後者用於軟複位後讀取標記的狀態做相應處理。最終修改後的SBL主邏輯代碼如下：

#define CLEANUP_ISP_TO_SBL (0x5A)
#define CLEANUP_SBL_TO_ISP (0xA5)

bool isp_cleanup_exit(bool *isInfiniteIsp)
{
    uint32_t flag = IOMUXC_SNVS_GPR->GPR0;
    switch (flag)
    {
        // SBL_TO_ISP軟複位情況下，進入無限超時isp
        case CLEANUP_SBL_TO_ISP:
            *isInfiniteIsp = true;
            flag = 0x0;
            break;
        // 第一次上電或ISP_TO_SBL軟複位情況下，直接退出isp
        case CLEANUP_ISP_TO_SBL:
        default:
            break;
    }
    IOMUXC_SNVS_GPR->GPR0 = 0x0;
    return flag;
}

void isp_cleanup_enter(uint32_t flag)
{
    IOMUXC_SNVS_GPR->GPR0 = flag;
    NVIC_SystemReset();
}

#if (defined(COMPONENT_MCU_ISP))
void isp_boot_main(bool isInfiniteIsp)
{
    // 加一級對於Reset不複位flag的判斷處理
    if (!isp_cleanup_exit(&isInfiniteIsp))
    {
        if (isInfiniteIsp || ISP_TIMEOUT)
        {
            isp_boot_init();
            isp_boot_run(isInfiniteIsp);
            // 標記flag為ISP_TO_SBL，並觸發軟複位
            isp_cleanup_enter(CLEANUP_ISP_TO_SBL);
        }
    }
}
#endif

void sbl_boot_main(void)
{
    if (sbl_boot_go() != 0) 
    {
#if (defined(COMPONENT_MCU_ISP))
        // 標記flag為SBL_TO_ISP，並觸發軟複位
        isp_cleanup_enter(CLEANUP_SBL_TO_ISP);
#endif
        NVIC_SystemReset();
    }
    else
    {
        sbl_do_boot();
    }

    while (1);
}

　　至此，i.MXRT1xxx里SystemReset不複位的GPR寄存器的小妙用痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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