ARM学习（28）NXP 双coreMCU IMX1160学习

笔者最近接触到一块IMXRT1160的双core板子，特依次来记录学习一下

1、IMXRT1160 板子介绍

介绍一下NXP的Demo板子，是一个双core的板子，Cortex-M7和Cortex-M4，总计1MB的RAM空间，256KB的ROM空间，提供了丰富的内存接口，包括SDRAM、Nand Flash、Nor Flash、SD/eMMC，QSPI以及HyperRAM FLash。支持从fuseboot、ISP 串行下载和内部boot启动。

模块结构框图如下：
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板子框图如下：
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内部boot启动支持多种启动：
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支持DAP-Link和Jtag调试。DAP-LINK或者OpenSDA，可参考这篇文章：OpenSDA调试器背景与架构。

再来看一下其内核的特性：
CortexM7内核：一个core，基于arm V7E-M

  • 64位，AMBA4 AXI总线，32位 AHB 外设端口，32位AMBA AHB 从机端口，AMBA APB Coresight debug组件
  • 32KB的指令cache以及32KB的带ECC校验的数据cache
  • 可配置的512KB TCM （默认256KB data 和256KB 指令）
  • 16个region的MPU
  • NMI + 240 IRQ
  • 带WFI 、WFE的睡眠和深度睡眠
  • 支持SWD以及JTAG
  • 双core锁步机制。
    在这里插入图片描述
    CortexM4内核：1个core，基于ARMv7-ME指令集，
  • AHB LMEM （对于TCM和cache的memory控制）
  • 可配置的256KB的TCM，（默认128KB的指令TCM和128KB的数据TCM）
  • 16KB的code bus cache和16KB的系统bus cache
  • 集成TCM的ECC校验和代码奇偶校验
  • FPU（浮点运算单元）、集成NVIC（可嵌套中断）、WIC（唤醒中断控制器）、MPU（内存保护单元）、MMCAU（加密加速单元）和MCM（复杂控制模块）

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2、IMXRT1160 内存布局

内存布局比较重要，外设访问，boot启动，代码缓存等等都与内存相关，可以看到一些相关的信息，尤其是双core，更是这样，涉及到共享内存，外设是否独立或者共享等等。

2.1 M7内存布局

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memory说明：

  • 0x80000000：SEMC接口，可以接SDRAM，
  • 0x30000000：FlexSPI，可以作为QSPI访问Flash，作为mempory memory map的存放flash的地址。
  • 0x20360000: 128KB的 专有的OCRAM/FlexRAM空间
  • 0x20200000：64KB，可作为双core共享空间
  • 0x202C0000：64KB，可作为双core共享空间
  • 0x20200000：映射到M4的空间，256KB，作为CM4运行代码的位置，也是M4TCM的位置，这部分如果CM4 断电情况下，CM7无法访问。
  • 0x20000000：DTCM的位置，可都配置数据TCM，，可以配置256 KB DTCM，可最大配置512KB
  • 0x00000000：ITCM的位置，可都配置为指令TCM，也可以配置256 KB ITCM，可最大配置512KB
  • 0x40000000 - 0x41000000：AIPS（ARM IP BUS）CM4和CM7的外设地址，从这里可以看出来，外设是共享的，两者都可以访问。

可以通过NXP的IDE MCUXPRESS的例程里面看到相关的memory配置。
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通过上面可以看到，代码执行在0x30000000位置，0x20000000是CM7数据位置（DTCM，rpmsh_sh_mem是双核共享的空间。

当然从这里我们也可以推测其是XIP（excute in place），在Flash上面执行代码，因为没有其他的空间来存放代码，等下通过Boot启动来确认一下。

2.2 M4内存布局

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memory说明：

  • 0x20200000：64KB，可作为双core共享空间
  • 0x202C0000：64KB，可作为双core共享空间
  • 0x20200000：CM4的空间，256KB，OCRAM，可以用来放数据和代码，
  • 0x20000000：System TCM（128KB），映射到 0x20220000，存放数据
  • 0x1FE00000：Code TCM （128KB），映射到 0x20200000，存放代码，
  • 0x08000000：FlexSPI，可以接QSPI，作为CM4的启动代码位置。

NXP的IDE MCUXPRESS的例程里面看到相关的memory配置。
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2.3 ROM的空间

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  • 0x00200000：ROM的空间位于0x00200000，大小是256KB
  • 0x20240000：ROM所占用的RAM空间，所以不能作为boot image的一部分，当ROM code执行完成之后，可以释放出来使用。如果ROM的API被用户使用，那么该空间需要保留出来。

简单说一下ROM的特性：

  • 支持不同boot 设备启动
  • 支持串行（UART、USB-HID）下载
  • 支持Device Configuration Data 设置数据配置
  • 支持secure boot，带签名的高保障性boot
  • 支持拓展的内存配置数据
  • 支持FlexSPI Nor加密的XIP方式（加密引擎和AES解密）

对于secure boot，就是对启动的Image进行检验，验证过了才可以执行，否则就停留在boot或者是老的Image。

  1. 引导ROM的一个关键功能是能够执行安全引导，也称为高保证引导（HAB）。这是由HAB安全库支持的，该库是ROM代码的子组件。HAB使用硬件和软件的组合以及公钥基础设施（PKI）协议来保护系统不执行未经授权的程序Image。

  2. 在HAB允许执行用户Image之前，必须对Image进行签名。签名过程在Image构建过程中完成私钥加密的过程，然后签名被包括作为最后程序Image的一部分。如果配置为这样做，则ROM使用程序Image中包含的公钥来验证签名。除了支持数字签名验证来验证程序Image之外，还支持加密引导。

  3. 加密引导可用于防止直接从引导设备克隆程序Image。可以在上支持的所有引导设备上使用HAB进行安全引导除了串行下载器之外的芯片。引导ROM中的HAB库还提供API功能，允许额外的引导链组件（例如引导加载器、应用程序）扩展安全引导链。SEC_CONFIG的出厂设置是开放配置，其中ROM/HAB执行Image认证，但忽略所有认证错误，并且仍然允许执行图像。

3、IMXRT1160板子 boot启动

IMXRT1160的启动方式较为多样，上面已经介绍，主要有以下几种方式。通过对Boot Mode的两个输入引脚采样，来决定才有什么方式来Boot。
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boot的core也可以被配置，通过BT_CORE_SEL来进行选择，BT_CORE_SEL为0，则M7core启动，如果为1，则M4启动，M4启动相对慢一些。
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  • 从Fuse boot
  • 串行download下载
  • 内部boot
  • NXP内部保留使用
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3.1 Fuse Boot

与 Internal Boot 非常类似，只有一个不一样的点，那就是GPIO Boot PIn引脚被忽略。rom code只使用Boot efuse 的设置。

启动流程由BT_FUSE_SEL的值来决定，

  • 如果为1，则从boot device来启动
  • 如果来0，则从串行下载启动。

首次板子运行时，BT_FUSE_SEL的值可能为1，但是boot device里面没有Image，可能无法启动，这个时候需要强制设置BT_FUSE_VAL为0，下载一个引导程序到Boot device，然后修改了BT_FUSE_SEL的值，下一次ROM code根据新的eFUSE设置就从boot device启动了。
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3.2 Serial Downloader

通过串口或者USB-HID遵循一定的命令协议，来把用户的程序下载到板子里面。例如STM32的FlyMCU，也叫做ISP模式。就是利用ROM的来进行下载。

3.3 Internal Boot

从内部设备进行启动，方式比较多，通过boot的引脚来决定，如前面所述，这里介绍了串行Flash启动的方式。
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boot device的配置如下：配置串行Flash的实例，Flash类型，是否自动检测RAM还是XIP方式等
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串行Flashboot的流程如下：

  1. 首先进入Flex Nor的boot流程。
  2. 配置Flex SPI的引脚和时钟（30MHZ）进行基本的读取配置参数的操作或者Flash是否存在的检测。这些参数位于NorFlash地址的0x400的偏移位置，参数大小为512Byte。
  3. 基于读到的参数进行基本的配置。
  4. 是否是加密的XIP模式使能?
  5. 读取boot device的数据，包括起始地址以及长度等信息，读取Image Vector Table信息，这是用户Image的header信息，填充了用户的Image的地址地址以及大小等信息，方便搬移等等操作。
  6. 如果Image Header无效，Image继续搜索
  7. 如果Image Header有效，则判断是否是XIP方式，XIP可以通过boot data判断，boot data的start地址与读参数的数据的地址一致，则为XIP方式，如果不一致，则为Plain Imgae 方式，则需要从Flasn搬移到对应的RAM地址运行。
  8. 确定好的Image是否有效（栈的空间有效，以及跳转的地址有效），则跳转到对应的地址执行。
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    Flash配置参数如下：（配置参数开放，方便支持串行Flash、以及hyper Ram等启动方式）
    这个配置参数位置在代码开始位置的0x400偏移位置处。
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典型参数配置如下：参考NXP IDE。

const flexspi_nor_config_t qspiflash_config = {.memConfig ={.tag              = FLEXSPI_CFG_BLK_TAG,.version          = FLEXSPI_CFG_BLK_VERSION,.readSampleClkSrc = kFlexSPIReadSampleClk_LoopbackFromDqsPad,.csHoldTime       = 3u,.csSetupTime      = 3u,// Enable DDR mode, Wordaddassable, Safe configuration, Differential clock.controllerMiscOption = 0x10,.deviceType           = kFlexSpiDeviceType_SerialNOR,.sflashPadType        = kSerialFlash_4Pads,.serialClkFreq        = kFlexSpiSerialClk_133MHz,.sflashA1Size         = 16u * 1024u * 1024u,/* Enable flash configuration feature */.configCmdEnable   = 1u,.configModeType[0] = kDeviceConfigCmdType_Generic,/* Set configuration command sequences */.configCmdSeqs[0] ={.seqNum   = 1,.seqId    = 12,.reserved = 0,},/* Prepare setting value for Read Register in flash */.configCmdArgs[0] = (FLASH_DUMMY_VALUE << 3),.lookupTable ={// Read LUTs[0] = FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0xEB, RADDR_SDR, FLEXSPI_4PAD, 0x18),[1] = FLEXSPI_LUT_SEQ(DUMMY_SDR, FLEXSPI_4PAD, FLASH_DUMMY_CYCLES, READ_SDR, FLEXSPI_4PAD, 0x04),// Read Status LUTs[4 * 1 + 0] = FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x05, READ_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x04),// Write Enable LUTs[4 * 3 + 0] = FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x06, STOP, FLEXSPI_1PAD, 0x0),// Erase Sector LUTs[4 * 5 + 0] = FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x20, RADDR_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x18),// Erase Block LUTs[4 * 8 + 0] = FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0xD8, RADDR_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x18),// Pape Program LUTs[4 * 9 + 0] = FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x02, RADDR_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x18),[4 * 9 + 1] = FLEXSPI_LUT_SEQ(WRITE_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x04, STOP, FLEXSPI_1PAD, 0x0),// Erase Chip LUTs[4 * 11 + 0] = FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x60, STOP, FLEXSPI_1PAD, 0x0),// Set Read Register LUTs[4 * 12 + 0] = FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0xC0, WRITE_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x01),[4 * 12 + 1] = FLEXSPI_LUT_SEQ(STOP, FLEXSPI_1PAD, 0x00, 0, 0, 0),},},.pageSize           = 256u,.sectorSize         = 4u * 1024u,.ipcmdSerialClkFreq = 0x1,.blockSize          = 64u * 1024u,.isUniformBlockSize = false,
};

Image Vector Table：Image的向量表如下：

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首先来说一下Image向量表的偏移位置，不同的Flash启动，其ROM 寻找的偏移位置不一样
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本文介绍的FlexSPI Nor的偏移是0x1000，就是4K的位置。
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Image向量表的结构如下，每个字段都是32位。
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Image的header结构如下：Value=0x412000D1
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通过最终的Imgae Code可以看到。
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Entry：就是用户code的入口地址，便于ROM code跳转过去，
DCD：Device Configuration Data，设备的配置数据，用户如果有需要配置的外设信息，可以在此处按照相应的参数格式填写，没有填0

Boot Data：启动数据，Image的绝对地址，以及编程Image的大小信息，可以用来判断是否是XIP方式，如果是XIP方式，则boor data 里面的start地址就是Flash 的起始地方，否则就不是XIP方式。
不是XIP方式的boot data数据
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是XIP方式的boot数据
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self：指示着IVT 表的地址，rom code用来使用，确定IVT的地址是否合法。

4、IMXRT1160 代码下载

待补充

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