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NXP i.MX RT1020 - BootLoader 中烧写 APP 到 Flash 指定位置的方法

关键字 :NXPRT1020FlexSPIFlash

1.   前言

       本篇博文将介绍如何实现在 BootLoader 中烧写代码数据到 Flash 的指定位置，并跳转到代码位置运行，正常实现升级的方式是通过各种通信接口如：UART、CAN、USB、Ethernet...，通信接口把需要升级的代码传送给 BootLoader，BootLoader 写代码数据到 Flash 并跳转到代码位置执行。

       博文将不使用通信接口获取数据，而是把需要烧录到 Flash 的数据放到 Flash 当中，在 BootLoader 中把 Flash 数据读取到 RAM 当中，通过 FlexSPI 把 RAM 中的数据写到 Flash 的指定位置。


2.   BootLoader与 APP 的配置

2.1 存储方案

  1. Flash 起始地址为 0x60000000 大小为 0x00010000 即 64KB，其中放置用于实现 SecondBootLoader 的代码和数据。
  2. APP1 放在 SecondBootLoader 后面，大小为 128KB。
  3. APP2 放在 APP1 后面，大小为 128KB。
  4. Database 放在 APP2 后面，大小 192KB，存放用户数据。

2.1 程序地址的分散加载修改

  1. 在 SecondBootLoader 的 scf 文件中修改：
#define m_flash_config_start           0x60000000
#define m_flash_config_size            0x00001000 
#define m_ivt_start                    0x60001000
#define m_ivt_size                     0x00001000 
#define m_interrupts_start             0x60002000
#define m_interrupts_size              0x00000400 
#define m_text_start                   0x60002400
#define m_text_size                    0x0000DBFF
  1. 在 APP1 的 scf 文件中修改：
#define m_flash_config_start           0x60010000
#define m_flash_config_size            0x00001000 
#define m_ivt_start                    0x60011000
#define m_ivt_size                     0x00001000 
#define m_interrupts_start             0x60012000
#define m_interrupts_size              0x00000400 
#define m_text_start                   0x60012400
#define m_text_size                    0x0001DBFF
  1. 在 APP2 的 scf 文件中修改：
#define m_flash_config_start           0x60030000
#define m_flash_config_size            0x00001000 
#define m_ivt_start                    0x60031000
#define m_ivt_size                     0x00001000 
#define m_interrupts_start             0x60032000
#define m_interrupts_size              0x00000400 
#define m_text_start                   0x60032400
#define m_text_size                    0x0001DBFF


3.   把数组数据放到指定的 Flash 自定义 section 中

       数组定义与声明：

  1. 对把数组需要放到的 section 进行 __attribute__ 修饰；
#define LOCATION_EXTFLASH_ATTRIBUTE __attribute__ ((section ("Myapp"))) __attribute__ ((aligned(4)))

const unsigned char _aclwip_ping_bm[0x12880] LOCATION_EXTFLASH_ATTRIBUTE = {
0, 0, 0,
}；
  1. 这里把数据放到了 APP2 的位置，实际的升级不会把升级数据预先放到 Flash 中，这里只是对程序烧写做测试，修改 scf 文件：
  • 自定义 block，定义 block 的起始和结束地址。
  • 加载 block 段，在其中声明数据放到的 section 段 *.o(Myapp)。
;Define new block m_text_data, place it at the beginning of the scf file
#define m_text_data_start              0x60030000
#define m_text_data_size               0x00013000


;Place at the end of the scf file, as a new block of m_text_data
LR_m_data_text m_text_data_start m_text_data_size{
  ER_m_data_text m_text_data_start FIXED m_text_data_size { ; load address = execution address
      *.o(Myapp)
  }
}


4.   加入 FlexSPI 操作函数

        添加 flexspi 操作函数文件到工程中。

 

图 1. 加入 FlexSPI 驱动文件

        在主函数所在文件中添加：

        FlexSPI 操作用到的头文件：

#include "fsl_flexspi.h"
#include "app.h"
#include "fsl_cache.h"

        FlexSPI 操作用到的函数和数据：

        对于 W25Q64JVSIQ 这个 8M 的 Flash，要根据芯片的数据手册修改参数

  1. 修改 flexspi_nor_enable_quad_mode 函数

        通过修改 writeValue 为 0x200，可以使能把寄存器中的QE(Quad Enable)位置为1,由于 0x200 为 2Byte数据，还需要设置 flashXfer.dataSize 为 2。

图 2. 修改 QE 位

        需要修改的内容如下：

  1. uint32_t writeValue = 0x0200; //FLASH_QUAD_ENABLE;
  2. flashXfer.dataSize = 2; //1

        flexspi_nor_enable_quad_mode 修改后如下：

status_t flexspi_nor_enable_quad_mode(FLEXSPI_Type *base)
{
    flexspi_transfer_t flashXfer;
    status_t status;
    uint32_t writeValue = 0x0200; //FLASH_QUAD_ENABLE;

#if defined(CACHE_MAINTAIN) && CACHE_MAINTAIN
    flexspi_cache_status_t cacheStatus;
    flexspi_nor_disable_cache(&cacheStatus);
#endif

    /* Write enable */
    status = flexspi_nor_write_enable(base, 0);

    if (status != kStatus_Success)
    {
        return status;
    }

    /* Enable quad mode. */
    flashXfer.deviceAddress = 0;
    flashXfer.port          = FLASH_PORT;
    flashXfer.cmdType       = kFLEXSPI_Write;
    flashXfer.SeqNumber     = 1;
    flashXfer.seqIndex      = NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_WRITESTATUSREG;
    flashXfer.data          = &writeValue;
    flashXfer.dataSize      = 2; //1
 
    status = FLEXSPI_TransferBlocking(base, &flashXfer);

    if (status != kStatus_Success)
    {
        return status;
    }

    status = flexspi_nor_wait_bus_busy(base);

    /* Do software reset. */
    FLEXSPI_SoftwareReset(base);

#if defined(CACHE_MAINTAIN) && CACHE_MAINTAIN
    flexspi_nor_enable_cache(cacheStatus);
#endif

    return status;
}
  1. 对于擦除操作，最小单位为一个 Sector (4KB)，修改 LUT 0xD7 为 0x20（4KB），或 0x52 (32KB) 或 0xD8（64KB），参考 https://community.nxp.com/t5/i-MX-RT/RT1050-QSPI-flash-change-to-Winbond-W25Q32JV-3-3V/m-p/904534

        数据手册的命令表如下：



图 3. Sector Erase 命令

        数据手册中完整的表格如下：

图 4. QSPI Flash 命令表

    在主函数所在文件中添加如下代码：

/************************************************FlexSPI********************************************************************/
//add FlexSPI Functions
/* Program data buffer should be 4-bytes alignment, which can avoid busfault due to this memory region is configured as

   Device Memory by MPU. */

SDK_ALIGN(static uint8_t s_nor_program_buffer[256], 4);
static uint8_t s_nor_read_buffer[256];

extern status_t flexspi_nor_flash_erase_sector(FLEXSPI_Type *base, uint32_t address);
extern status_t flexspi_nor_flash_page_program(FLEXSPI_Type *base, uint32_t dstAddr, const uint32_t *src);
extern status_t flexspi_nor_get_vendor_id(FLEXSPI_Type *base, uint8_t *vendorId);
extern status_t flexspi_nor_enable_quad_mode(FLEXSPI_Type *base);
extern status_t flexspi_nor_erase_chip(FLEXSPI_Type *base);
extern void flexspi_nor_flash_init(FLEXSPI_Type *base);

/*******************************************************************************

 * Code

 ******************************************************************************/
flexspi_device_config_t deviceconfig = {
    .flexspiRootClk       = 133000000,
    .flashSize            = FLASH_SIZE,
    .CSIntervalUnit       = kFLEXSPI_CsIntervalUnit1SckCycle,
    .CSInterval           = 2,
    .CSHoldTime           = 3,
    .CSSetupTime          = 3,
    .dataValidTime        = 0,
    .columnspace          = 0,
    .enableWordAddress    = 0,
    .AWRSeqIndex          = 0,
    .AWRSeqNumber         = 0,
    .ARDSeqIndex          = NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READ_FAST_QUAD,
    .ARDSeqNumber         = 1,
    .AHBWriteWaitUnit     = kFLEXSPI_AhbWriteWaitUnit2AhbCycle,
    .AHBWriteWaitInterval = 0,
};

const uint32_t customLUT[CUSTOM_LUT_LENGTH] = {
    /* Normal read mode -SDR */
    /* Normal read mode -SDR */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READ_NORMAL] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x03, kFLEXSPI_Command_RADDR_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x18),
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READ_NORMAL + 1] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_READ_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04, kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0),

    /* Fast read mode - SDR */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READ_FAST] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x0B, kFLEXSPI_Command_RADDR_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x18),
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READ_FAST + 1] = FLEXSPI_LUT_SEQ(
        kFLEXSPI_Command_DUMMY_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x08, kFLEXSPI_Command_READ_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04),

    /* Fast read quad mode - SDR */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READ_FAST_QUAD] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0xEB, kFLEXSPI_Command_RADDR_SDR, kFLEXSPI_4PAD, 0x18),
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READ_FAST_QUAD + 1] = FLEXSPI_LUT_SEQ(
        kFLEXSPI_Command_DUMMY_SDR, kFLEXSPI_4PAD, 0x06, kFLEXSPI_Command_READ_SDR, kFLEXSPI_4PAD, 0x04),

    /* Read extend parameters */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READSTATUS] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x81, kFLEXSPI_Command_READ_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04),


/* Write Enable */
[4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_WRITEENABLE] =
FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x06, kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0),

/* Erase Sector */
[4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_ERASESECTOR] =
FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x20, kFLEXSPI_Command_RADDR_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x18),

/* Page Program - single mode */
[4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_PAGEPROGRAM_SINGLE] =
FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x02, kFLEXSPI_Command_RADDR_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x18),
[4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_PAGEPROGRAM_SINGLE + 1] =
FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_WRITE_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04, kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0),

/* Page Program - quad mode */

[4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_PAGEPROGRAM_QUAD] =
FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x32, kFLEXSPI_Command_RADDR_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x18),
[4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_PAGEPROGRAM_QUAD + 1] =
FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_WRITE_SDR, kFLEXSPI_4PAD, 0x04, kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0),

/* Read ID */
[4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READID] =
FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x9F, kFLEXSPI_Command_READ_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04),

/* Enable Quad mode */
[4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_WRITESTATUSREG] =
FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x01, kFLEXSPI_Command_WRITE_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04),

/* Enter QPI mode */
[4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_ENTERQPI] =
FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x35, kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0),

/* Exit QPI mode */
[4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_EXITQPI] =
FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_4PAD, 0xF5, kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0),

/* Read status register */
[4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READSTATUSREG] =
FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x05, kFLEXSPI_Command_READ_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04),

/* Erase whole chip */
[4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_ERASECHIP] =
FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0xC7, kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0),
};

/************************************************FlexSPI********************************************************************/
uint8_t flespi_test()
{
/************************************************FlexSPI********************************************************************/
uint32_t i = 0;
status_t status;
uint8_t vendorID = 0;

flexspi_nor_flash_init(EXAMPLE_FLEXSPI);

PRINTF("\r\nFLEXSPI example1 started!\r\n");

/* Get vendor ID. */
status = flexspi_nor_get_vendor_id(EXAMPLE_FLEXSPI, &vendorID);
if (status != kStatus_Success)
{
return status;
}

PRINTF("Vendor ID: 0x%x\r\n", vendorID);

PRINTF("Enter quad mode 1\n");

/* Enter quad mode. */
status = flexspi_nor_enable_quad_mode(EXAMPLE_FLEXSPI);

if (status != kStatus_Success)
{
return status;
}

PRINTF("Enter quad mode 2\n");

for(int i = 0; i<= sizeof(_aclwip_ping_bm)/SECTOR_SIZE; i++)
{
/* Erase sectors. */
PRINTF("Erasing Serial NOR over FlexSPI...\r\n");
status = flexspi_nor_flash_erase_sector(EXAMPLE_FLEXSPI, APP_BASE_ADDRESS + SECTOR_SIZE * i);
if (status != kStatus_Success)
{
PRINTF("Erase sector failure !\r\n");
return -1;

}
}


for(int j = 0; j<= sizeof(_aclwip_ping_bm)/FLASH_PAGE_SIZE; j++)
{
if(j>sizeof(_aclwip_ping_bm)/256-1)
{
memset(s_nor_program_buffer, 0xFFU, sizeof(s_nor_program_buffer));
DCACHE_InvalidateByRange(EXAMPLE_FLEXSPI_AMBA_BASE + APP_BASE_ADDRESS + FLASH_PAGE_SIZE * j, FLASH_PAGE_SIZE);
memcpy(s_nor_program_buffer, &_aclwip_ping_bm[(j)*256], sizeof(_aclwip_ping_bm)%256);
}
else
{
DCACHE_InvalidateByRange(EXAMPLE_FLEXSPI_AMBA_BASE + APP_BASE_ADDRESS + FLASH_PAGE_SIZE * j, FLASH_PAGE_SIZE);
memcpy(s_nor_program_buffer, &_aclwip_ping_bm[(j)*256], sizeof(s_nor_program_buffer));
}

status = flexspi_nor_flash_page_program(EXAMPLE_FLEXSPI, APP_BASE_ADDRESS + FLASH_PAGE_SIZE*(j), (void *)s_nor_program_buffer);

if (status != kStatus_Success)
{
PRINTF("Page program failure !\r\n");
return -1;
}
}
return 0;
}

/************************************************FlexSPI********************************************************************/

 

       对于 flespi_test 函数，其流程如下：

  1. flexspi_nor_flash_init 初始化 flexspi 外设；
  2. flexspi_nor_get_vendor_id 获取 flash 的 vedor id；
  3. flexspi_nor_enable_quad_mode 使能 qspi 的 quad mode；
  4. 使用 for 循环擦除 sizeof(_aclwip_ping_bm)/SECTOR_SIZE 个 sector size 的 flash 内容，即擦除数组要烧入到的地址范围。
for(int i = 0; i<= sizeof(_aclwip_ping_bm)/SECTOR_SIZE; i++)
{
	/* Erase sectors. */
	PRINTF("Erasing Serial NOR over FlexSPI...\r\n");
	status = flexspi_nor_flash_erase_sector(EXAMPLE_FLEXSPI, APP_BASE_ADDRESS + SECTOR_SIZE * i);
	if (status != kStatus_Success)
	{
		PRINTF("Erase sector failure !\r\n");
		return -1;
	}
}
  1. 使用 for 循环写入sizeof(_aclwip_ping_bm)/FLASH_PAGE_SIZE 个 page size 的 flash 内容，一个 page size 的大小为 FLASH_PAGE_SIZE（256Bytes） 即写入数组要烧入到的地址范围。

      这里会有一个问题：如果代码的大小不是 256Bytes，需要如何处理？

      这里通过对数组的最后 256Bytes 做处理：

  • 对最后的 256Bytes 的数据先把要写入的在 RAM 的 256 大小的数组 s_nor_program_buffer 通过 memset 清除为全 0xFF；
  • 得到数组的最后一个 256Bytes 空间中的数据，通过 memcpy 将数据写入 s_nor_program_buffer 数组中。
for(int j = 0; j<= sizeof(_aclwip_ping_bm)/FLASH_PAGE_SIZE; j++)
{
	if(j>sizeof(_aclwip_ping_bm)/256-1)
	{
		memset(s_nor_program_buffer, 0xFFU, sizeof(s_nor_program_buffer));
		DCACHE_InvalidateByRange(EXAMPLE_FLEXSPI_AMBA_BASE + APP_BASE_ADDRESS + FLASH_PAGE_SIZE * j, FLASH_PAGE_SIZE);
		memcpy(s_nor_program_buffer, &_aclwip_ping_bm[(j)*256], sizeof(_aclwip_ping_bm)%256);
	}
	else
	{
		DCACHE_InvalidateByRange(EXAMPLE_FLEXSPI_AMBA_BASE + APP_BASE_ADDRESS + FLASH_PAGE_SIZE * j, FLASH_PAGE_SIZE);
		memcpy(s_nor_program_buffer, &_aclwip_ping_bm[(j)*256], sizeof(s_nor_program_buffer));
	}
	status =
			flexspi_nor_flash_page_program(EXAMPLE_FLEXSPI, APP_BASE_ADDRESS + FLASH_PAGE_SIZE*(j), (void *)s_nor_program_buffer);
	if (status != kStatus_Success)
	{
		PRINTF("Page program failure !\r\n");
		return -1;
	}
}

 

5.   编写 jump_to_application 函数实现程序跳转

       这里要区分两种情况：

       第一种情况：APP 编译时设置宏定义 XIP_BOOT_HEADER_ENABLE=0，编译出不包含 FDCB Flash 头的代码，此时编译出的代码不包含 flash_config 和 ivt 段，如下图，程序的中断向量表是放到 0x60002000 的位置的。

       第二种情况：APP 编译时设置宏定义 XIP_BOOT_HEADER_ENABLE=1，编译的程序将包含 flash_config 和 ivt 段。

       jump_to_application 函数的实现思路是：

  1. 对 SCB->VTOR 重新赋值为跳转的 APP 代码的起始地址，即 APP 的中断向量表的起始地址。
  2. AppAddr = *(uint32_t*)app_start_address; 取得中断向量表起始地址的前 4 字节数据赋值给 AppAddr，即栈顶的地址。
  3. __set_MSP(AppAddr); 设置 MSP 指向栈顶。
  4. AppAddr = *(uint32_t*)(app_start_address + 4); 使得 AppAddr 赋值为第二个 4 字节的数据，即 ResetHandler 的地址。
  5. JumpToApp = (pFunc)AppAddr; 将 AppAddr 强制转化为函数指针类型 pFunc，并赋值给函数指针 JumpToApp。
  6. JumpToApp(); 通过调用函数指针，将使得 PC 指针指向 AppAddr，实现程序跳转到 APP 的 ResetHandler 执行。

      主函数如下：

/*!
 * @brief Main function
 */
int main(void)
{
	char ch;
	/* Init board hardware. */
	BOARD_ConfigMPU();
	BOARD_InitBootPins();
	BOARD_InitBootClocks();
	BOARD_InitDebugConsole();

    /* Just enable the trace clock, leave coresight initialization to IDE debugger */
	SystemCoreClockUpdate();
	CLOCK_EnableClock(kCLOCK_Trace);
 
	PRINTF("hello world.\r\n");
	PRINTF("0x = %x\r\n",_aclwip_ping_bm[0]);
	flespi_test();
	jump_to_application(APP_ADDR);
	
	while (1)
	{	
	}
}


6.   附录

  1. IMXRT1020RM.pdf，链接：

https://cache.nxp.com.cn/secured/assets/documents/en/reference-manual/IMXRT1020RM.pdf?__gda__=1701850166_6fc1a74da8ebd2df63a522fe91280413&fileExt=.pdf

  1. C83140_NOR+FLASH_W25Q64JVSSIQ_规格书_WINBOND(华邦)NOR+FLASH规格书，链接：

https://atta.szlcsc.com/upload/public/pdf/source/20161110/1478742546019.pdf?Expires=4070880000&OSSAccessKeyId=LTAIJDIkh7KmGS1H&Signature=P9Za%2BLJZtmLFPAAPdipnILx5bdE%3D&response-content-disposition=attachment%3Bfilename%3DC83140_NOR%2BFLASH_W25Q64JVSSIQ_%25E8%25A7%2584%25E6%25A0%25BC%25E4%25B9%25A6_WINBOND%2528%25E5%258D%258E%25E9%2582%25A6%2529NOR%2BFLASH%25E8%25A7%2584%25E6%25A0%25BC%25E4%25B9%25A6.PDF

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