痞子衡嵌入式：揭秘i.MXRT1170上串列NOR Flash雙程式可交替啟動設計

2022 年 2 月 27 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.MXRT1170上串列NOR Flash雙程式可交替啟動設計。

　　在上一篇文章《i.MXRT1060/1010上串列NOR Flash冗餘程式啟動設計》里，痞子衡詳細介紹了 i.MXRT10xx 上的冗餘程式啟動設計，本質上這就是個雙備份程式啟動， NOR Flash 里存兩份一樣的 image，物理地址靠前的 image 0 啟動失效就繼續啟動後面的 image 1，多一層保障。

　　i.MXRT1170 是區別於 i.MXRT10xx 的第二代架構，性能/功能更加強大，其在繼承 i.MXRT10xx 冗餘程式啟動的基礎上，新增了雙程式可交替啟動設計，今天我們就來聊聊這個話題：

一、初識雙程式可交替啟動

　　與 i.MXRT10xx 一樣，這裡要聊的還是在一片掛載在 FlexSPI 上的串列 NOR Flash 里做冗餘/雙程式設計，就是下圖中的 image L 和 image H，不涉及 LPSPI 介面 Flash B 里的 image 2。

　　先說跟 i.MXRT10xx 上一樣的冗餘程式啟動流程，i.MXRT1170 上電先啟動物理地址靠前的 image L，如果 image L 被破壞了，則繼續啟動 image H。

　　什麼是雙程式可交替啟動呢？簡單說就是物理地址靠前的 image L 並不總是上電首先啟動的 image，在 i.MXRT1170 上新增了如下原型的 image version 啟動頭（在固定偏移 0x600 處），晶片上電 BootROM 會嘗試判斷兩個 image L/H 里的 version 頭版本，高版本的 image 優先被啟動。這種設計方便了 OTA 升級。

Note: 當 image L/H 中不含有效 version 啟動頭時，雙程式可交替啟動特性就不生效，此時等效於冗餘程式啟動，image L 永遠被優先啟動。

typedef struct
{
    uint16_t version;
    uint16_t inversion;
} img_ver_t;

二、回顧冗餘程式啟動

　　在測試雙程式可交替啟動新特性之前，還是先過一下冗餘程式啟動。按照文章《i.MXRT1060/1010上串列NOR Flash冗餘程式啟動設計》第 2 節里一模一樣的方法，在恩智浦官方 MIMXRT1170-EVK 開發板上做測試，這個板子 FlexSPI1 上掛了兩片 Flash，默認連接的 16MB QuadSPI Flash，還有一片 64MB OctalFlash（需要做板子改動才能使能）。

　　在 i.MXRT1170 fuse 里關於冗餘程式啟動的使能位定義與 i.MXRT10xx 上差不多，只不過 fuse 地址從 0x6E0 換到了 0xC80。還是跟之前測試一樣藉助 MCUBootUtility 工具將 FLEXSPI_NOR_SEC_IMAGE_OFFSET 燒錄為 0x10，xSPI_FLASH_IMAGE_SIZE 保持默認 0，即第二份 image 偏移地址在 Flash 0x400000（4MB）處，最大 image 長度也是 4MB。

　　繼續用 \SDK_2.11.0_MIMXRT1170-EVK\boards\evkmimxrt1170\demo_apps\led_blinky\cm7\iar\flexspi_nor_debug 常式生成兩個稍微不一樣的 image，閃燈間隔時間一個是 200ms（image L – iled_blinky_cm7_delay200ms.bin），另一個是 2s（image H – iled_blinky_cm7_delay2s.bin）。在 MCUBootUtility 工具主介面下使用 All-In-One 操作將 image L 下載進 Flash（base address 設為 0x30000400），使用通用編程器介面 Write 操作將 image H 也下載進 Flash（Start 設為 0x400400）。

　　現在 Flash 里有了兩份 image，當第一份 image 啟動失敗後，i.MXRT1170 BootROM 不是立刻去執行下一份 image ，還是那個取巧的方法，在一個軟複位不置位的暫存器里（SRC_GPR10）標記當前狀態，然後調用 NVIC_SystemReset() 重新進入 BootROM 執行。不過此時標記位從 GPR10[30] 換到了 GPR10[27:26]，雖然是 2bit 狀態，但設值 1/2/3 等效於設值 1，因為對於串列 NOR Flash 最多就是兩份 image。這時候如果你想掛 J-Link 改寫 SRC_GPR10 去做快速驗證恐怕無法如願，因為《i.MXRT1170上用J-Link連接複位後PC總是停在0x223104》。

　　所以在 i.MXRT1170 上只能老老實實做破壞 image 完整性的動作來驗證冗餘程式啟動，經實測其效果與 i.MXRT10xx 是完全一致的。

三、實測雙程式可交替啟動

　　現在我們開始實測雙程式可交替啟動，主要的工作量就是為 image L 和 image H 添加 version 啟動頭，並且將它們分別下載進 Flash。因為我們想驗證物理地址靠後的 image H 比 image L 優先啟動（冗餘程式啟動做不到這點），所以需要將 image H 的 version 頭版本設高一點。

3.1 為 image 添加 version 啟動頭

　　還是在 \SDK_2.11.0_MIMXRT1170-EVK\boards\evkmimxrt1170\demo_apps\led_blinky\cm7\iar\flexspi_nor_debug 常式基礎上，首先在工程鏈接文件 MIMXRT1176xxxxx_cm7_flexspi_nor.icf 添加如下語句，指定 .img_ver 段的位置。

define symbol m_boot_img_ver_start           = 0x30000600;
place at address mem: m_boot_img_ver_start { section .img_ver };

　　然後在工程隨便一個源文件里添加如下常量 s_bt_img_l_ver 定義，這個 image 閃燈間隔時間是 200ms（image L – iled_blinky_cm7_delay200ms_ver0.bin），版本是 0x0000（注意編譯鏈接工程時為防止 s_bt_img_l_ver 被優化，可以在工程選項 Linker / Input / Keep symbols 里將其添加進去）。

const img_ver_t s_bt_img_l_ver @ ".img_ver" = {
    .version = 0x0000,
    .inversion = ~0x0000,
};

　　同樣的工程，再生成另一個閃燈間隔時間為 2s（image H – iled_blinky_cm7_delay2s_ver1.bin）的 image 時使用如下常量 s_bt_img_h_ver 定義，版本是 0x0001。

const img_ver_t s_bt_img_h_ver @ ".img_ver" = {
    .version = 0x0001,
    .inversion = ~0x0001,
};

　　當然如果你嫌上述方法繁瑣，也可以直接在最終 image binary 文件上做修改（注意 offset 位置一定要找對）：

3.2 下載含 version 頭的 image 進 Flash

　　現在需要藉助 MCUBootUtility 工具的通用編程器功能分別將兩個含 version 頭的 image L/H 下載進 Flash。這裡需要注意的是此時 image L 無法再通過主介面 All-In-One 操作來下載了，因為工具 v3.4 版本及以下沒有對 version 啟動頭做識別處理，因此會丟掉 version 頭數據（這個考慮會在 v4.0 之後加入支援）。

　　兩個 image 下載完成，一切工作就結束了，這時候你調整晶片啟動模式到 2’b10 – Flash boot，給板卡重新上電，應該可以看到 image H 正在執行。

3.3 BootROM中判斷version的邏輯

　　BootROM 中關於 version 啟動頭是否有效以及版本高低判斷邏輯其實是有一點複雜的，這裡把具體程式碼分享給大家，方便大家為 image 設置有效的 version 頭以及正確使能這個雙程式可交替啟動特性。

uint32_t image_l_base = 0x30000000
uint32_t image_h_base = 0x30400000

uint32_t get_image_index(void)
{
    uint32_t redundant_boot = ((SRC->GPR[9] & 0x0C000000) >> 26);

    static uint32_t image_index[] = { 0, 0 };
    img_ver_t image_l_version = *(img_ver_t *)(image_l_base + 0x600);
    img_ver_t image_h_version = *(img_ver_t *)(image_h_base + 0x600);
    if ((image_l_version.version != 0xFFFFu || image_l_version.inversion != 0xFFFFu) &&
        ((0xFFFFu & image_h_version.version) == (0xFFFFu ^ image_h_version.inversion)) &&
        ((0xFFFFu & image_l_version.version) != (0xFFFFu ^ image_l_version.inversion) || (image_l_version.version < image_h_version.version)))
    {
        image_index[0] = 1;
    }
    else
    {
        image_index[1] = 1;
    }

    return image_index[redundant_boot];
}

四、一些關於 image 的注意事項

Note1: 雖然文中所有的測試均是針對 XIP image，但這個冗餘程式/雙程式可交替啟動特性對於 Non-XIP image 也同樣適用。

Note2: 如果是 XIP image，其鏈接地址不一定要固定在偏移 0x2000 處，因為 IVT 的存在，其是可以鏈接在偏移 0x2000 之後的任意位置的。

Note3: 如果是 Non-XIP image，在 SDK 包里無法直接生成含啟動頭的 Non-XIP image binary，這時候可以先使用 MCUBootUtility 主介面的 All-In-One 操作下載一次 image，再通過通用編程器介面 Read 操作讀回來便是含啟動頭的 Non-XIP image binary。

　　至此，i.MXRT1170上串列NOR Flash雙程式可交替啟動設計痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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