Linux之ARM（MX6U）裸机之 MX6ULL 启动方式详解
Linux之ARM（MX6U）裸机之 MX6ULL 启动方式详解
一、启动方式选择
BOOT 的处理过程是发生在 I.MX6U 芯片上电以后，芯片会根据BOOT_MODE[1:0]的设置 来选择 BOOT 方式。BOOT_MODE[1:0]的值是可以改变的，有两种方式，一种是改写 eFUSE(熔 丝)，一种是修改相应的 GPIO 高低电平。第一种修改 eFUSE 的方式只能修改一次，后面就不能 再修改了，所以我们不使用。我们使用的是通过修改 BOOT_MODE[1:0]对应的 GPIO 高低电平 来选择启动方式，所有的开发板都使用的这种方式，I.MX6U 有一个 BOOT_MODE1 引脚和 BOOT_MODE0 引脚，这两个引脚对应这 BOOT_MODE[1:0]。I.MX6U-ALPHA 开发板的这两 个引脚原理图如图
其中 BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0 在芯片内部是有 100KΩ下拉电阻的，所以默认是 0。BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0 这两个引脚我们也接到了底板的拨码开关上，这样我们 就可以通过拨码开关来控制 BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0 的高低电平。以 BOOT_MODE1 为例，当我们把 BOOT_CFG 的第一个开关拨到“ON”的时候，就相当于 BOOT_MODE1 引脚 通过 R88 这个 10K 电阻接到了 3.3V 电源，芯片内部的 BOOT_MODE1 又是 100K 下拉电阻接 地，因此此时 BOOT_MODE1 的电压就是 100/(10+100)*3.3V= 3V，这是个高电平，因此 BOOT_CFG 的中的 8 个开关拨到“ON”就是高电平，拨到“OFF”就是低电平。
而 I.MX6U 有四个 BOOT 模式，这四个 BOOT 模式由 BOOT_MODE[1:0]来控制，也就是 BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0 这两 IO，BOOT 模式配置如表
| BOOT_MODE[1:0] | BOOT 类型 |
|---|---|
| 00 | 从 FUSE 启动 |
| 01 | 串行下载 |
| 10 | 内部 BOOT 模式 |
| 11 | 保留 |
在表 中，我们用到的只有第二和第三种 BOOT 方式。
①、串行下载
当 BOOT_MODE1 为 0，BOOT_MODE0 为 1 的时候此模式使能，串行下载的意思就是可 以通过USB或者UART 将代码下载到板子上的外置存储设备中，我们可以使用OTG1这个USB 口向开发板上的 SD/EMMC、NAND 等存储设备下载代码。我们需要将 BOOT_MODE1 拨到 “OFF”，将 BOOT_MODE0 拨到“ON”。这个下载是需要用到 NXP 提供的一个软件，一般用来最终量产的时候将代码烧写到外置存储设备中的，我们后面讲解如何使用。
②、内部 BOOT 模式
当 BOOT_MODE1 为 1，BOOT_MODE0 为 0 的时候此模式使能，在此模式下，芯片会执 行内部的 boot ROM 代码，这段 boot ROM 代码会进行硬件初始化(一部分外设)，然后从 boot 设 备(就是存放代码的设备、比如 SD/EMMC、NAND)中将代码拷贝出来复制到指定的 RAM 中， 一般是 DDR。
二、 BOOT ROM 初始化内容
当我们设置 BOOT 模式为“内部 BOOT 模式”以后，I.MX6U 内部的 boot ROM 代码就会 执行，这个 boot ROM 代码都会做什么处理呢？首先肯定是初始化时钟，boot ROM 设置的系统 时钟如图
BT_FREQ 模式为 0，可以看到，boot ROM 会将 I.MX6U 的内核时钟设置为 396MHz，也就是主频为 396Mhz。System PLL=528Mhz，USB PLL=480MHz，AHB=132MHz， IPG=66MHz，
内部 boot ROM 为了加快执行速度会打开 MMU 和 Cache，下载镜像的时候 L1 ICache 会打 开，验证镜像的时候 L1 DCache、L2 Cache 和 MMU 都会打开。一旦镜像验证完成，boot ROM 就会关闭 L1 DCache、L2 Cache 和 MMU。
中断向量偏移会被设置到 boot ROM 的起始位置，当 boot ROM 启动了用户代码以后就可 以重新设置中断向量偏移了。一般是重新设置到我们用户代码的开始地方。
三、启动设备
当 BOOT_MODE 设置为内部 BOOT 模式以后，可以从以下设备中启动： ①、接到 EIM 接口的 CS0 上的 16 位 NOR Flash。
②、接到 EIM 接口的 CS0 上的 OneNAND Flash。
③、接到 GPMI 接口上的 MLC/SLC NAND Flash，NAND Flash 页大小支持 2KByte、4KByte 和 8KByte，8 位宽。
④、Quad SPI Flash。
⑤、接到 USDHC 接口上的 SD/MMC/eSD/SDXC/eMMC 等设备。 ⑥、SPI 接口的 EEPROM。
I.MX6U 同样提供了 eFUSE 和 GPIO 配置两种，我们重点看如何通过 GPIO 来选择启动设备，因为所有的 I.MX6U 开发板都是通过 GPIO 来配置启动设备的。正如启动模式由 BOOT_MODE[1:0]来选择一样，启动设备是通过BOOT_CFG1[7:0]、BOOT_CFG2[7:0]和 BOOT_CFG4[7:0]这 24 个配置 IO，这 24 个配置 IO 刚 好对应着 LCD 的 24 根数据线 LCD_DATA0~LCDDATA23，当启动完成以后这 24 个 IO 就可以 作为 LCD 的数据线使用。这 24 根线和 BOOT_MODE1、BOOT_MODE0 共同组成了 I.MX6U 的启动选择引脚，如图所示
虽然有 24 个 IO，但是实际需要调整的只有那几个 IO，其它的 IO 全部下拉 接地即可，也就是设置为 0。打开 I.MX6U-ALPHA 开发板的核心板原理图，这 24 个 IO 的默认 设置如图：
可以看出在图 中大部分的 IO 都接地了，只有几个 IO 接高，尤其是 BOOT_CFG4[7:0] 这 8 个 IO 都 10K 电阻下拉接地，所以我们压根就不需要去关注 BOOT_CFG4[7:0]。我们需要 重点关注的就只剩下了 BOOT_CFG2[7:0]和 BOOT_CFG1[7:0]这 16 个 IO。这 16 个配置 IO 含 义在原理图的左侧已经贴出来了，如图
打开 I.MX6U-ALPHA 开发板的底板原理图，底板上启动设备选择拨码开关原 理图如图
在图 中 ， 除 了 BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0 必 须 引 出 来 ， LCD_DATA3~LCDDATA7、LCD_DATA11 这 6 个 IO 也被引出来了，可以通过拨码开关来设置 其对应的高低电平，拨码开关拨到“ON”就是 1，拨到“OFF”就是 0。其中 LCD_DATA11 就 是 BOOT_CFG2[3]，LCD_DATA3~LCD_DATA7 就是 BOOT_CFG1[3]~BOOT_CFG1[7]，这 6 个 IO 的配置含义如表所示：
BOOT IO 含义，I.MX6U-ALPHA 开发板从 SD 卡、EMMC、NAND 启动 的时候拨码开关各个位设置方式如表：
四、镜像烧写
前面我们设置好 BOOT 以后就能从指定的设备启动了，但是你的设备里面得有代码啊，LED灯汇编代码实现我们使用 imxdownload 这个软件将 led.bin 烧写到了SD卡中。imxdownload 会在 led.bin 前面添加一些头信息，重新生成一个叫做 load.imx 的文件，最终实际烧写的是 laod.imx。
I.MX6U 不能直接烧写编译生成的.bin 文件，我们需要在.bin 文件前面添加一些头信息构成 满足 I.MX6U 需求的最终可烧写文件，I.MX6U 的最终可烧写文件组成：
①、Image vector table，简称 IVT，IVT 里面包含了一系列的地址信息，这些地址信息在 ROM 中按照固定的地址存放着。
②、Boot data，启动数据，包含了镜像要拷贝到哪个地址，拷贝的大小是多少等等。
③、Device configuration data，简称 DCD，设备配置信息，重点是 DDR3 的初始化配置。
④、用户代码可执行文件，比如 led.bin。
可以看出最终烧写到 I.MX6U 中的程序其组成为：IVT+Boot data+DCD+.bin。所以在LED灯实验中 imxdownload 所生成的 load.imx 就是在 led.bin 前面加上 IVT+Boot data+DCD。内部 Boot ROM 会将 load.imx 拷贝到 DDR 中，用户代码是要一定要从 0X87800000 这个地方开始的，因 为链接地址为 0X87800000，load.imx 在用户代码前面又有 3KByte 的 IVT+Boot Data+DCD 数 据，因此 load.imx 在 DDR 中的起始地址就是 0X878000003072=0X877FF400。
①、 IVT 和 Boot Data 数据
load.imx 最前面的就是 IVT 和 Boot Data，IVT 包含了镜像程序的入口点、指向 DCD 的指 针和一些用作其它用途的指针。内部 Boot ROM 要求 IVT 应该放到指定的位置，不同的启动设 备位置不同，而 IVT 在整个 load.imx 的最前面，其实就相当于要求 load.imx 在烧写的时候应该 烧写到存储设备的指定位置去。整个位置都是相对于存储设备的起始地址的偏移，如图 ：
以 SD/EMMC 为例，IVT 偏移为 1Kbyte，IVT+Boot data+DCD 的总大小为 4KByte1KByte=3KByte。假如 SD/EMMC 每个扇区为 512 字节，那么 load.imx 应该从第三个扇区开始 烧写，前两个扇区要留出来。load.imx 从第 3KByte 开始才是真正的.bin 文件。如图：
从图中可以看出第一个存放的就是 header(头)，header 格式如图 ：
在图 中，Tag 为一个字节长度，固定为 0XD1，Length 是两个字节，保存着 IVT 长 度，为大端格式，也就是高字节保存在低内存中。最后的 Version 是一个字节，为 0X40 或者0X41。
Boot Data 的数据格式如图:
我们详细的列出了 load.imx 的 IVT+Boot Data 每 32 位数据所代表的意义。 这些数据都是由 imxdownload 这个软件添加进去的。
②、DCD 数据
复位以后，I.MX6U 片内的所有寄存器都会复位为默认值，但是这些默认值往往不是我们 想要的值，而且有些外设我们必须在使用之前初始化它。为此 I.MX6U 提出了一个 DCD(Device Config Data)的概念，和 IVT、Boot Data 一样，DCD 也是添加到 load.imx 里面的，紧跟在 IVT 和 Boot Data 后面，IVT 里面也指定了 DCD 的位置。DCD 其实就是 I.MX6U 寄存器地址和对应 的配置信息集合，Boot ROM 会使用这些寄存器地址和配置集合来初始化相应的寄存器，比如 开启某些外设的时钟、初始化 DDR 等等。DCD 区域不能超过 1768Byte，DCD 区域结构如图
DCD 的 header 和 IVT 的 header 类似，结构如图 ：
其中Tag 是单字节，固定为0XD2， Length 为两个字节，表示DCD 区域的大小，包含 header， 同样是大端模式，Version 是单字节，固定为 0X40 或者 0X41。
图 中的 CMD 就是要初始化的寄存器地址和相应的寄存器值，结构如图 ：
图 中 Tag 为一个字节，固定为 0XCC。Length 是两个字节，包含写入的命令数据长 度，包含 header，同样是大端模式。Parameter 为一个字节，这个字节的每个位含义如图所示：
图 中bytes 表示是目标位置宽度，单位为 byte，可以选择 1、2、和 4 字节。flags 是命令控制标志位。
Address 和 Vlalue/Mask 就是要初始化的寄存器地址和相应的寄存器值，注意采用的是大端模式！ 在分析 IVT 的时候我们就已经说过了， DCD数据是从 0X2C 地址开始的。根据我们分析的 DCD 结构可以得到 load.imx 的 DCD数据如表：
| DCD 结构 | 数据 | 描述 |
|---|---|---|
| header | 0X40E801D2 | 根据header 格式，第一个字节 Tag 为 0XD2，第 二和三这两个字节为 DCD 大小，为大端模式，所以 DCD 大 小为 0X01E8=488 字节。第四个字节为 0X40。完全符合图 9.4.2.2 中的格式 |
| Write Data Command | 0X04E401CC | 第一个为 Tag，固定为 0XCC，第二和三这两 个字节是大端模式的命令总长度，为 0X01E4=484 个字节。第 四个字节是 Parameter，为 0X04，表示目标位置宽度为 4 个字 节。 |
| Address | 0X020C4068 | 寄存器 CCGR0 地址 |
| Value | 0XFFFFFFFF | 要写入寄存器 CCGR0 的值，表示打开 CCGR0 控制的所有外 设时钟。 |
| …… | …… | CCGR1~CCGR5 这些寄存器的地址和值。 |
| Address | 0X020C4080 | 寄存器 CCGR6 地址 |
| Value | 0XFFFFFFFF | 要写入寄存器 CCGR6 的值，表示打开 CCGR6 控制的所有外设时钟。 |
| Address | 0X020E04B4 | 寄存器 IOMUXC_SW_PAD_CTL_GRP_DDR_TYPE 寄存器地 址 |
| Value | 0X000C0000 | 设置 DDR 的所有 IO 为 DDR3 模式 |
| Address | 0X020E04AC | 寄存器 IOMUXC_SW_PAD_CTL_GRP_DDRPKE 地址 |
| Value | 0X00000000 | 所有 DDR 引脚关闭 Pull/Keeper 功能。 |
| Address | 0X020E027C | 寄存器 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_DRAM_SDCLK0_P |
| Value | 0X00000030 | DRAM_SDCLK0_P 引脚为 R0/6。 |
| …… | …… | 全部是 DDR 引脚设置 |
| Address | 0X020E0248 | 寄存器 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_DRAM_DQM1 |
| Value | 0X00000030 | 0X00000030 |
| Address | 0X021B001C | MMDC_MDSCR 寄存器 |
| Value | 0X00008000 | MMDC_MDSCR 寄存器值 |
| …… | …… | MMDC 相关寄存器地址及其寄存器值。 |
| Address | 0X021B0404 | MMDC_MAPSR 寄存器 |
| Value | 0X00011006 | MMDC_MAPSR 寄存器配置值 |
| Address | 0X021B001C | MMDC_MDSCR 寄存器 |
| Value | 0X00000000 | MMDC_MDSCR 寄存器清零 |
从图 中可以看出，DCD 里面的初始化配置主要包括三方面：
①、设置 CCGR0~CCGR6 这 7 个外设时钟使能寄存器，默认打开所有的外设时钟。
②、配置 DDR3 所用的所有 IO。
③、配置 MMDC 控制器，初始化 DDR3。
总结一下，我们编译出来的.bin 文件不能直接烧写到 SD 卡中，需 要在.bin 文件前面加上 IVT、Boot Data 和 DCD 这三个数据块。这三个数据块是有指定格式的， 我们必须按照格式填写，然后将其放到.bin 文件前面，最终合成的才是可以直接烧写到 SD 卡 中的文件。