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痞子衡嵌入式：恩智浦i.MX RT1xxx系列MCU啟動那些事（10）- 從Serial NAND啟動

2023-07-20 06:00:55

　　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恩智浦i.MXRT1xxx系列MCU的Serial NAND啟動。

　　最近越來越多的客戶在諮詢 i.MXRT1xxx 從 Serial NAND 啟動的事情，讓這個本來比較冷門的啟動裝置突然火熱起來。據痞子衡的瞭解，其實客戶主要目的是在應用裡基於 Serial NAND 去做檔案系統（看起來隨著技術的發展，就檔案系統應用或者多媒體資料儲存方面而言 Raw NAND 已經不是絕對優勢了），然後順便用它做應用程式碼啟動。藉此機會，今天痞子衡就給大家介紹一下 Serial NAND 上製作、下載、啟動程式的方法：

  • Note：文中貼圖、程式碼主要以 i.MXRT1050 為例，其餘 i.MXRT1xxx 系列原理類似。

一、支援的Serial NAND

　　Serial NAND 廠商非常多，對應 Serial NAND 晶片型號也很多，如果你在選型時不確定到底該為 i.MXRT 選擇哪一款 Serial NAND 時，可選用下面四款晶片，痞子衡均實測過：

Macronix MX35LF2G24AD       （120MHz, x4 bits, 2KB Page/128KB Block/2Gb Device,  8-bit/544byte ECC, 3.3V）
Winbond W25N01GV            （104MHz, x4 bits, 2KB Page/128KB Block/1Gb Device,  1-bit/528byte ECC, 3.3V）
GigaDevice GD5F1GQ5UEYIG    （133MHz, x4 bits, 2KB Page/128KB Block/1Gb Device,  4-bit/528byte ECC, 3.3V）
Micron MT29F1G01ABA         （133MHz, x4 bits, 2KB Page/128KB Block/1Gb Device,  8-bit/Sector  ECC, 3.3V）

　　需要特別注意的是，與 《i.MXRT從Raw NAND啟動》 裡既可使用純軟體 ECC 也可利用 Flash 自帶硬體 ECC 特性不同的是，從 Serial NAND 啟動必須依賴 Flash 自帶硬體 ECC。

二、Serial NAND硬體連線

　　除了 i.MXRT1010/1024/1064 不支援 Serial NAND 啟動之外，其餘 i.MXRT1xxx 都可以支援。其中 i.MXRT10xx 系列只支援一組引腳連線組合，而 i.MXRT11xx 則支援多組引腳連線組合。i.MXRT1050 BootROM 支援如下 pinmux 來連線 Serial NAND 去啟動：

　　如下是 IMXRT1050EVK12_Rev.A 板上四線 QSPI Flash 連線設計，板載預設 U33 晶片是 Serial NOR Flash，我們可以換成同封裝 Serial NAND，痞子衡就將其換成了 MX35LF2G24AD 來做測試，當然 FLASH_VCC 也相應改成了 3.3V：

三、Serial NAND載入啟動過程

　　我們知道 Serial NAND 中僅能放置 Non-XIP Application（連結到內部 SRAM 或者 外部 RAM 空間），其啟動載入流程跟 《從 Serial(1-bit SPI) NOR/EEPROM恢復啟動》 載入流程差不多（參考文章第 3 小節）。

　　i.MXRT BootROM 中對於 Serial NAND 啟動流程處理和對於 Raw NAND 啟動處理幾乎是一樣的，都是依賴 FCB 和 DBBT 這兩個資料結構（當然 Serial NAND 和 Raw NAND 裡對於這兩個資料結構具體成員定義有差異）。關於 FCB 和 DBBT 的使用，痞子衡在《i.MXRT從Raw NAND啟動》一文中三、四小節講得很清楚，這裡不再贅述。

　　i.MXRT1050 參考手冊 System Boot 章節裡畫了上電啟動時 BootROM 程式碼搜尋 FCB 和 DBBT 的流程，能找到這兩個資料，應用程式就能夠被正常載入。這裡需要特別注意，FCB 和 DBBT 是在配套 Flashloader 執行過程中動態生成的，因為涉及 NAND Flash 裡具體壞塊分佈資訊，所以無法在 PC 端直接製作 FCB 和 DBBT，這就意味著我們無法像 NOR Flash 那樣事先得到一個完整的含全部啟動頭(FCB&DBBT&IVT&BD)的 NAND bootable image。

四、下載Application進Serial NAND

　　現在假定你已經制作好一個 Bootable image 並且使用 blhost 工具與 Flashloader 建立了基本通訊，正要開始將 Bootable image 下載進 Serial NAND。此時我們只需要提供簡化的 12 - 44byte 設定資料就可以完成 Serial NAND 的全部設定，下面是適用 MX35LF2G24AD 的 Application 下載更新範例：

// 在 SRAM 裡臨時儲存 Serial NAND 設定資料（FCB Opt）
blhost -u -- fill-memory 0x20202000 0x4 0xC2000103 // searchCount=2, searchStride = 64 pages, Address type: Block Address, Option Block size: 3 long words
blhost -u -- fill-memory 0x20202004 0x4 0x2020200C // nand opt address
blhost -u -- fill-memory 0x20202008 0x4 0x4004     // image0 從 Block 4 開始，長度最大 4 個 Block

// 在 SRAM 裡臨時儲存 Serial NAND 設定資料（NAND Opt）
blhost -u -- fill-memory 0x2020200C 0x4 0xC0020023 // Flash size: 2Gbit, 1 Plane, 64 Pages/Block, 2KB Page Size, Max Freq:60MHz

// 使用 Serial NAND 設定資料去設定 FlexSPI 介面以及寫入完整 FCB, DBBT 資料
blhost -u -- configure-memory 0x101 0x20202000

　　上述 fill-memory 命令中 FCB Opt 設定資料組織詳見下表：

　　上述 fill-memory 命令中 NAND Opt 設定資料組織詳見下表：

　　上表 12 - 44byte 資料提供的設定資訊主要是 FCB 和 NAND 屬性。configure-memory 命令執行成功之後，底下只需要將 Bootable image 從 Serial NAND 對應 Block 地址處開始下載即可，具體步驟如下：

// 擦除 Serial NAND 並將 image 下載進 Serial NAND
blhost -u -- flash-erase-region 0x4 0x4 0x101     // 從第4個Block開始擦除，範圍為4個Block長度
blhost -u -- write-memory 0x4 bt_image.bin 0x101  // 從第4個Block開始下載含 ivt, bd 的映象檔案

　　當然以上所有繁雜的命令列操作都可以使用 MCUBootUtility 工具（v5.2.1及以上）來一鍵完成：

五、進入Serial NAND啟動模式

　　Application 已經被成功下載進 Serial NAND 卡之後，此時我們便可以開始設定晶片從 Serial NAND 啟動。

　　先確定 BOOT_MODE[1:0]=2'b10，即晶片處於 Internal Boot 模式，再來選擇 Boot Device，Boot Device 由 BOOT_CFG1[7:4] 這四個 pin 的輸入狀態決定，其中 Serial NAND 啟動模式為 4'b11xx。

六、設定eFuse啟動Serial NAND

　　設定好晶片啟動模式是從 Serial NAND 啟動之後，我們還需要最後關注一下與 Serial NAND 相關的具體特性設定，主要集中在晶片內部 eFuse 0x6e0/0x450 區域裡，根據前面設定，這裡我們只需要設定 BOOT_SEARCH_COUNT bit 為 1，其餘保持預設 0 即可。

　　這裡單獨解釋下 COL_ADDRESS_WIDTH 預設 0 即 12bits，看起來對應了 4KB Page size，但是因為 ECC 特性，這樣設定下的低 2KB page 空間存真實資料，高 2KB page 空間其實屬於所謂 Spare 空間，會被 Flash 自動用來存放 ECC 校驗碼，不過這個 Spare 空間有效範圍 64byte-128byte 不等（對於 MX35LF2G24AD 則是 128）。

　　上述所有步驟全部完成之後，復位晶片你就應該能看到你放在 Serial NAND 裡的 Application 已經正常地啟動了。

　　至此，恩智浦i.MXRT1xxx系列MCU的Serial NAND啟動痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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