ARM裸机篇（二）——i.MX6ULL启动过程

linux系列目录：
linux基础篇（一）——GCC和Makefile编译过程
linux基础篇（二）——静态和动态链接
ARM裸机篇（一）——i.MX6ULL介绍
ARM裸机篇（二）——i.MX6ULL启动过程
ARM裸机篇（三）——i.MX6ULL第一个裸机程序
ARM裸机篇（四）——重定位和地址无关码
ARM裸机篇（五）——异常和中断
linux系统移植篇（一）—— linux系统组成
linux系统移植篇（二）—— Uboot使用介绍
linux系统移植篇（三）—— Linux 内核使用介绍
linux系统移植篇（四）—— 根文件系统使用介绍
linux驱动开发篇（一）—— Linux 内核模块介绍
linux驱动开发篇（二）—— 字符设备驱动框架
linux驱动开发篇（三）—— 总线设备驱动模型
linux驱动开发篇（四）—— platform平台设备驱动

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一、 i.MX6ULL启动流程

I.MX6U 支持多种启动方式以及启动设备，比如可以从 SD/EMMC、 NAND Flash、 QSPI Flash等启动。
i.MX6UL完整的启动流程如下图所示，完成启动任务的代码位于0x0000 0000 地址处的Boot ROM。

启动流程过程大致可分为六步。①检查CPU的ID ,②检查复 位状态，③获取启动方式，④加载程序映像，⑤校验映像，⑥跳转到映像去执行。

i.MX6ULL有四个启动模式，如下表，具体使用哪种启动模式通过内部寄存器 BOOT_MODE 中的值来选择，如图：

当 BOOT_MODE 设置为内部 BOOT 模式以后，所谓“内部”是相对于“Serial Download”来说的，“内部”可以认为是 i.MX6ULL 支持的启动存储设备，例如 emmc、 nandflash、 SD card、norFlash 等等。具体从那种“内部”设备启动，由 BOOT_CFG1[7:4] 决定，如下表所示。表内部启动方式选择：

二、i.MX6ULL镜像格式

知道启动方式后 Boot ROM 代码并不能立即加载启动映像，因为我们的代码保存在芯片外部存储设备，从这些存储设备读数据之前首先要进行初始化。在 Boot ROM 程序根据保存在芯片中的默认配置信息配置这些存储器接口。

I.MX6ULL 的最终可烧写文件组成如下：
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。

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。

最终烧写到 I.MX6U 中的程序其组成为： IVT+Boot data+DCD+.bin。

这4部分内容合并成为一个映像文件，烧写在EMMC、SD卡或TF卡等启动设备的某个固定地址，boot ROM程序去这个固定地址读出映像文件。启动设备不同，固定地址不同，如下图：

三、镜像实例

制作映像文件的起点是：我们编写的程序。制作过程中各项值的计算方法如下图所示。

按照上述的配置，板子上电后Boot Rom会根据上述的配置初始化时钟和DDR3，然后会将映像文件从启动设备(TF卡、eMMC)自动拷贝到DDR3内存上。Boot Rom应该将映像文件拷贝到内存的哪个位置，上述的配置文件已经规定好了，拷贝到DDR3中的位置和大小由Boot data数据决定，用户.bin文件的起始地址由地址entry决定，需要在链接脚本中手动配置。假设.bin文件的起始地址为0X87800000。复制结束后，CPU会从这个地址读取第一条指令开始执行程序。

四、制作镜像

假设我们已经有了一个led.S的裸机程序，然后经过编译链接到0X87800000这个地址，使用objcopy工具转换成bin文件：

arm-none-eabi-gcc -c led.S -o led.o
arm-none-eabi-ld -Ttext 0X87800000 led.o -o led.elf
arm-none-eabi-objcopy -O binary -S -g led.elf led.bin

1. 确定入口地址entry：
   我们的程序运行时要放在内存中哪一个位置，这是我们决定的，由于我们把程序链接到了0X87800000，所以此地址就是程序的入口地址。
2. 确定映像文件在内存中的地址start：
   boot ROM程序启动时，会把“Initial Load Region”读出来，“Initial load Region”里含有IVT、Boot data、DCD。boot ROM根据DCD初始化设备后，再把整个映像文件读到内存。
   在启动设备上，“Initial Load Region”之后紧跟着我们的程序，反过来说就是我们程序的前面，放着“Initial Load Region”。“Initial Load Region”的大小为load_size，那么在内存中“Initial Load Region”的位置start = entry – load_size=0X87800000 - 0x1000 = 0X877FF000。
3. 确定IVT在内存中的地址self：
   self = start + ivt_offset = 0X877FF000 + 0x400 = 0X877FF400
4. 确定Boot data在内存中的地址boot_data：
   IVT结构的大小是32个字节，IVT之后就是Boot data，而IVT中的boot_data值表示Boot data在内存中的位置，计算如下:
   boot_data = self + 32 =0X877FF400+32=0X877FF420
5. 确定DCD在内存中的地址dcd：
   Boot data结构的大小是12字节，Boot data之后就是DCD，而IVT中的dcd值表示DCD在内存中的位置，计算如下：
   dcd = boot_data + 12 = 0X877FF420 + 0x0C = 0X877FF42C
6. 写入DCD的数据
   DCD是用初始化硬件的，特别是初始化DDR。而DDR的初始化非常的复杂、专业，我们一般是使用硬件厂家提供的代码。
7. 写入用户程序

经过上述7个步骤，映像文件就构建出来了，可以把它烧入启动设备。

把上述步骤，可以写成如下代码，自动为我们完成映像的制作：
imxdownload.c：

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"

#define SHELLCMD_LEN	(200)
#define BIN_OFFSET		(3072)

/* 此宏指明是否打印u-boot.imx的IVT DCD表信息，不同的开发板其IVT和DCD
 * 表的数据是不同的，因此需要获取所使用的开发板的IVT和DCD表信息，最
 * 简单的方法就是读取开发板配套资料里面的u-boot.imx的前1KB数据，理论上
 * 应该读取3KB的数据，但是表信息远远没有3K这么多，因此读1KB即可 
 */
#define PRINT_TAB		0	
/*
 * 介绍： 此软件是针对NXP的IMX6U系列芯片的，软件用来烧写bin文件到SD卡里面，
 *        本软件会自动添加IVT、DCD等信息到原始的bin文件里面，主要用于裸机和uboot的烧写。
 * 使用方法： 1、编译好原始的二进制bin文件，如，u-boot.bin等，并将编译好的.bin文件和本
 *             软件放置到同一个目录下！！！！
 *        	2、执行命令sudo ./imxdownload  
 *             如烧写u-boot.bin到/dev/sdd中即可使用如下所示命令:
 *             sudo ./imxdownload u-boot.bin /dev/sdd
 */

/* IMX6U IVT DCD表信息  暂时定义为1K Bytes，此表是读取的u-boot.imx前1K Bytes
 * imx6_ivedcd_table[9]是指明代码长度的，本应该根据实际的代码长度来修改
 * 这里为了方便，就直接定义为2M Bytes，即
 */

const int imx6_512mb_ivtdcd_table[256] = {
0X402000D1,0X87800000,0X00000000,0X877FF42C,0X877FF420,0X877FF400,0X00000000,0X00000000,
0X877FF000,0X00200000,0X00000000,0X40E801D2,0X04E401CC,0X68400C02,0XFFFFFFFF,0X6C400C02,
0XFFFFFFFF,0X70400C02,0XFFFFFFFF,0X74400C02,0XFFFFFFFF,0X78400C02,0XFFFFFFFF,0X7C400C02,
0XFFFFFFFF,0X80400C02,0XFFFFFFFF,0XB4040E02,0X00000C00,0XAC040E02,0X00000000,0X7C020E02,
0X30000000,0X50020E02,0X30000000,0X4C020E02,0X30000000,0X90040E02,0X30000000,0X88020E02,
0X30000C00,0X70020E02,0X00000000,0X60020E02,0X30000000,0X64020E02,0X30000000,0XA0040E02,
0X30000000,0X94040E02,0X00000200,0X80020E02,0X30000000,0X84020E02,0X30000000,0XB0040E02,
0X00000200,0X98040E02,0X30000000,0XA4040E02,0X30000000,0X44020E02,0X30000000,0X48020E02,
0X30000000,0X1C001B02,0X00800000,0X00081B02,0X030039A1,0X0C081B02,0X0B000300,0X3C081B02,
0X44014801,0X48081B02,0X302C4040,0X50081B02,0X343E4040,0X1C081B02,0X33333333,0X20081B02,
0X33333333,0X2C081B02,0X333333F3,0X30081B02,0X333333F3,0XC0081B02,0X09409400,0XB8081B02,
0X00080000,0X04001B02,0X2D000200,0X08001B02,0X3030331B,0X0C001B02,0XF3526B67,0X10001B02,
0X630B6DB6,0X14001B02,0XDB00FF01,0X18001B02,0X40172000,0X1C001B02,0X00800000,0X2C001B02,
0XD2260000,0X30001B02,0X23106B00,0X40001B02,0X4F000000,0X00001B02,0X00001884,0X90081B02,
0X00004000,0X1C001B02,0X32800002,0X1C001B02,0X33800000,0X1C001B02,0X31800400,0X1C001B02,
0X30802015,0X1C001B02,0X40800004,0X20001B02,0X00080000,0X18081B02,0X27020000,0X04001B02,
0X2D550200,0X04041B02,0X06100100,0X1C001B02,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000
};

const int imx6_256mb_ivtdcd_table[256] = {
0X402000D1,0X87800000,0X00000000,0X877FF42C,0X877FF420,0X877FF400,0X00000000,0X00000000,
0X877FF000,0X00076000,0X00000000,0X40E801D2,0X04E401CC,0X68400C02,0XFFFFFFFF,0X6C400C02,
0XFFFFFFFF,0X70400C02,0XFFFFFFFF,0X74400C02,0XFFFFFFFF,0X78400C02,0XFFFFFFFF,0X7C400C02,
0XFFFFFFFF,0X80400C02,0XFFFFFFFF,0XB4040E02,0X00000C00,0XAC040E02,0X00000000,0X7C020E02,
0X30000000,0X50020E02,0X30000000,0X4C020E02,0X30000000,0X90040E02,0X30000000,0X88020E02,
0X30000C00,0X70020E02,0X00000000,0X60020E02,0X30000000,0X64020E02,0X30000000,0XA0040E02,
0X30000000,0X94040E02,0X00000200,0X80020E02,0X30000000,0X84020E02,0X30000000,0XB0040E02,
0X00000200,0X98040E02,0X30000000,0XA4040E02,0X30000000,0X44020E02,0X30000000,0X48020E02,
0X30000000,0X1C001B02,0X00800000,0X00081B02,0X030039A1,0X0C081B02,0X04000000,0X3C081B02,
0X3C013C01,0X48081B02,0X38324040,0X50081B02,0X28304040,0X1C081B02,0X33333333,0X20081B02,
0X33333333,0X2C081B02,0X333333F3,0X30081B02,0X333333F3,0XC0081B02,0X09409400,0XB8081B02,
0X00080000,0X04001B02,0X2D000200,0X08001B02,0X3030331B,0X0C001B02,0XF352433F,0X10001B02,
0X630B6DB6,0X14001B02,0XDB00FF01,0X18001B02,0X40172000,0X1C001B02,0X00800000,0X2C001B02,
0XD2260000,0X30001B02,0X23104300,0X40001B02,0X47000000,0X00001B02,0X00001883,0X90081B02,
0X00004000,0X1C001B02,0X32800002,0X1C001B02,0X33800000,0X1C001B02,0X31800400,0X1C001B02,
0X30802015,0X1C001B02,0X40800004,0X20001B02,0X00080000,0X18081B02,0X27020000,0X04001B02,
0X2D550200,0X04041B02,0X06100100,0X1C001B02,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,0X00000000,
};



/*
 * 输出一些信息
 */
void message_print(void)
{	
	printf("I.MX6ULL bin download software\r\n");
	printf("Edit by:zuozhongkai\r\n");
	printf("Date:2019/6/10\r\n");
	printf("Version:V1.1\r\n");
	printf("log:V1.0 initial version,just support 512MB DDR3\r\n");
	printf("    V1.1 and support 256MB DDR3\r\n");
}

int main(int argc, char *argv[])
{
	FILE *fp;
	unsigned char *buf;
	unsigned char *cmdbuf;
	int nbytes, filelen;
	int i = 0, j = 0;
	int ddrsize = 0; /* 0为512MB，1为256MB，2为128MB...... */

	message_print();

	if((argc != 3) && (argc != 4)){
		printf("Error Usage! Reference Below:\r\n");
		printf("sudo ./%s <-512m or -256m>  \r\n", argv[0]);
		return -1;
	}

	/* 查找参数，获取DDR容量 */
	for(i = 0; i < argc; i++)
	{
		char *param = argv[i];
		if(param[0] != '-')
			continue;
		if(strcmp(param, "-256m") == 0) 		/* 256MB */
			ddrsize = 1;
		else if(strcmp(param, "-512m") == 0)	/* 512MB */
			ddrsize = 0;
	}
	if(argc == 3)	/* 三个参数，也就是不输入DDR容量的话默认为512MB */
		ddrsize = 0;

	/* 打开bin文件 */
	fp = fopen(argv[1], "rb"); /* 以二进制只读方式打开bin文件 */
	if(fp == NULL){
		printf("Can't Open file %s\r\n", argv[1]);
		return -1;
	}
	
	/* 获取bin文件长度 */
	fseek(fp, 0L, SEEK_END);
	filelen = ftell(fp);
	fseek(fp, 0L, SEEK_SET);
	printf("file %s size = %dBytes\r\n", argv[1], filelen);
	
	/* 读取bin文件到缓冲区buf中 */
	buf = malloc(filelen + BIN_OFFSET);
	if(buf == NULL){
		printf("Mem Malloc Failed!\r\n");
		fclose(fp);
		return -1;
	}
	memset(buf, 0, filelen + BIN_OFFSET); /* 清零 */
	/* 读取bin源码文件 */
	fread(buf + BIN_OFFSET, 1, filelen, fp);

	/* 关闭文件 */
	fclose(fp);

#if PRINT_TAB
	printf("IVT DCD Table:\r\n");
	for(i = 0; i < 1024/32; i++){
		for(j = 0; j < 8; j++)
		{
			printf("0X%08X,",*(int *)(buf + BIN_OFFSET + (((i * 8) + j) * 4)));
		}
		printf("\r\n");
	}	
	free(buf);
	return 0;
#endif
	
	/* 添加IVT DCD等表信息到bin文件里面 */
	if(ddrsize == 0) {		/* 512MB */
		printf("Board DDR SIZE: 512MB\r\n");
		memcpy(buf, imx6_512mb_ivtdcd_table, sizeof(imx6_512mb_ivtdcd_table));
	}
	else if (ddrsize == 1) {	/* 256MB */
		printf("Board DDR SIZE: 256MB\r\n");
		memcpy(buf, imx6_256mb_ivtdcd_table, sizeof(imx6_256mb_ivtdcd_table));
	}

	/* 现在我们已经在buf中构建好了可以用于下载的bin文件，将buf中的数据保存到
	 * 到一个文件中，文件命名为load.imx
	 */
	printf("Delete Old load.imx\r\n");
	system("rm -rf load.imx");		/* 先删除旧的load.imx文件	*/
	
	printf("Create New load.imx\r\n");
	system("touch load.imx");		/* 创建新的load.imx文件		*/
	fp = fopen("load.imx", "wb");	/* 打开laod.imx				*/
	if(fp == NULL){
		printf("Cant't Open load.imx!!!\r\n");
		free(buf);
		return -1;
	}
	nbytes = fwrite(buf, 1, filelen + BIN_OFFSET, fp);
	if(nbytes != (filelen + BIN_OFFSET)){
		printf("File Write Error!\r\n");
		free(buf);
		fclose(fp);
		return -1;
	}
	free(buf);
	fclose(fp);	
	
	/* 构建烧写的shell命令 */
	cmdbuf = malloc(SHELLCMD_LEN);
	sprintf(cmdbuf, "sudo dd iflag=dsync oflag=dsync if=load.imx of=%s bs=512 seek=2",argv[2]);	
	printf("Download load.imx to %s  ......\r\n", argv[2]);
	
	/* 执行上面的shell命令 */
	system(cmdbuf);
	free(cmdbuf);
	return 0;	
}

编译：

gcc imxdownload.c -o imxdownload

使用方法：

sudo ./imxdownload <-512m or -256m>  

推荐在usr/local/bin 文件夹下建立软链接，后续可以直接使用imxdownload命令：

sudo ln -s ~/imx6ull/tools/imxdownload/imxdownload /usr/local/bin/imxdownload

测试：

五、烧写镜像

将USB读卡器插入电脑后，默认连接到主机，将鼠标放到USB图标上（虚拟机右下角状态栏）， 单击鼠标右键如下所示，选择将读卡器连接到虚拟机上。

在将读卡器连接到虚拟机之后，使用lsblk查看，增加出来的设备就是我们内存卡的标识名。

使用imxdownload命令进行烧写：imxdownload led.bin /dev/sdb