什么是i.MXRT11xx上的串行NOR Flash雙程序可交替啟動(dòng)？

大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是i.MXRT1170上串行NOR Flash雙程序可交替啟動(dòng)設(shè)計(jì)。

在上一篇文章 《i.MXRT1060/1010上串行NOR Flash冗余程序啟動(dòng)設(shè)計(jì)》 里，痞子衡詳細(xì)介紹了 i.MXRT10xx 上的冗余程序啟動(dòng)設(shè)計(jì)，本質(zhì)上這就是個(gè)雙備份程序啟動(dòng)， NOR Flash 里存兩份一樣的 image，物理地址靠前的 image 0 啟動(dòng)失效就繼續(xù)啟動(dòng)后面的 image 1，多一層保障。

i.MXRT1170 是區(qū)別于 i.MXRT10xx 的第二代架構(gòu)，性能/功能更加強(qiáng)大，其在繼承 i.MXRT10xx 冗余程序啟動(dòng)的基礎(chǔ)上，新增了雙程序可交替啟動(dòng)設(shè)計(jì)，今天我們就來聊聊這個(gè)話題：

一、初識雙程序可交替啟動(dòng)

與 i.MXRT10xx 一樣，這里要聊的還是在一片掛載在 FlexSPI 上的串行 NOR Flash 里做冗余/雙程序設(shè)計(jì)，就是下圖中的 image L 和 image H，不涉及 LPSPI 接口 Flash B 里的 image 2。

先說跟 i.MXRT10xx 上一樣的冗余程序啟動(dòng)流程，i.MXRT1170 上電先啟動(dòng)物理地址靠前的 image L，如果 image L 被破壞了，則繼續(xù)啟動(dòng) image H。

什么是雙程序可交替啟動(dòng)呢？簡單說就是物理地址靠前的 image L 并不總是上電首先啟動(dòng)的 image，在 i.MXRT1170 上新增了如下原型的 image version 啟動(dòng)頭（在固定偏移 0x600 處），芯片上電 BootROM 會嘗試判斷兩個(gè) image L/H 里的 version 頭版本，高版本的 image 優(yōu)先被啟動(dòng)。這種設(shè)計(jì)方便了 OTA 升級。

• Note: 當(dāng) image L/H 中均不含有效 version 啟動(dòng)頭時(shí)（img_ver 等于 0xFFFFFFFF，或者高低16bit不符合取反關(guān)系），雙程序可交替啟動(dòng)特性就不生效，此時(shí)等效于冗余程序啟動(dòng)，image L 永遠(yuǎn)被優(yōu)先啟動(dòng)。

typedef struct
{
    uint16_t version;     // 版本值
    uint16_t inversion;   // version值的取反（~version）
} img_ver_t;

二、回顧冗余程序啟動(dòng)

在測試雙程序可交替啟動(dòng)新特性之前，還是先過一下冗余程序啟動(dòng)。按照文章 《i.MXRT1060/1010上串行NOR Flash冗余程序啟動(dòng)設(shè)計(jì)》 第 2 節(jié)里一模一樣的方法，在恩智浦官方 MIMXRT1170-EVK 開發(fā)板上做測試，這個(gè)板子 FlexSPI1 上掛了兩片 Flash，默認(rèn)連接的 16MB QuadSPI Flash，還有一片 64MB OctalFlash（需要做板子改動(dòng)才能使能）。

在 i.MXRT1170 fuse 里關(guān)于冗余程序啟動(dòng)的使能位定義與 i.MXRT10xx 上差不多，只不過 fuse 地址從 0x6E0 換到了 0xC80。還是跟之前測試一樣借助 MCUBootUtility 工具將 FLEXSPI_NOR_SEC_IMAGE_OFFSET 燒錄為 0x10，xSPI_FLASH_IMAGE_SIZE 保持默認(rèn) 0，即第二份 image 偏移地址在 Flash 0x400000（4MB）處，最大 image 長度也是 4MB。

繼續(xù)用 SDK_2.11.0_MIMXRT1170-EVKboardsevkmimxrt1170demo_appsled_blinkycm7iarflexspi_nor_debug 例程生成兩個(gè)稍微不一樣的 image，閃燈間隔時(shí)間一個(gè)是 200ms（image L - iled_blinky_cm7_delay200ms.bin），另一個(gè)是 2s（image H - iled_blinky_cm7_delay2s.bin）。在 MCUBootUtility 工具主界面下使用 All-In-One 操作將 image L 下載進(jìn) Flash（base address 設(shè)為 0x30000400），使用通用編程器界面 Write 操作將 image H 也下載進(jìn) Flash（Start 設(shè)為 0x400400）。

現(xiàn)在 Flash 里有了兩份 image，當(dāng)?shù)谝环?image 啟動(dòng)失敗后，i.MXRT1170 BootROM 不是立刻去執(zhí)行下一份 image ，還是那個(gè)取巧的方法，在一個(gè)軟復(fù)位不置位的寄存器里（SRC_GPR10）標(biāo)記當(dāng)前狀態(tài)，然后調(diào)用 NVIC_SystemReset() 重新進(jìn)入 BootROM 執(zhí)行。不過此時(shí)標(biāo)記位從 GPR10[30] 換到了 GPR10[27:26]，雖然是 2bit 狀態(tài)，但設(shè)值 1/2/3 等效于設(shè)值 1，因?yàn)閷τ诖?NOR Flash 最多就是兩份 image。這時(shí)候如果你想掛 J-Link 改寫 SRC_GPR10 去做快速驗(yàn)證恐怕無法如愿，因?yàn)?《i.MXRT1170上用J-Link連接復(fù)位后PC總是停在0x223104》。

所以在 i.MXRT1170 上只能老老實(shí)實(shí)做破壞 image 完整性的動(dòng)作來驗(yàn)證冗余程序啟動(dòng)，經(jīng)實(shí)測其效果與 i.MXRT10xx 是完全一致的。

三、實(shí)測雙程序可交替啟動(dòng)

現(xiàn)在我們開始實(shí)測雙程序可交替啟動(dòng)，主要的工作量就是為 image L 和 image H 添加 version 啟動(dòng)頭，并且將它們分別下載進(jìn) Flash。因?yàn)槲覀兿腧?yàn)證物理地址靠后的 image H 比 image L 優(yōu)先啟動(dòng)（冗余程序啟動(dòng)做不到這點(diǎn)），所以需要將 image H 的 version 頭版本設(shè)高一點(diǎn)。

3.1 為 image 添加 version 啟動(dòng)頭

還是在 SDK_2.11.0_MIMXRT1170-EVKboardsevkmimxrt1170demo_appsled_blinkycm7iarflexspi_nor_debug 例程基礎(chǔ)上，首先在工程鏈接文件 MIMXRT1176xxxxx_cm7_flexspi_nor.icf 添加如下語句，指定 .img_ver 段的位置。

define symbol m_boot_img_ver_start           = 0x30000600;
place at address mem: m_boot_img_ver_start { section .img_ver };

然后在工程隨便一個(gè)源文件里添加如下常量 s_bt_img_l_ver 定義，這個(gè) image 閃燈間隔時(shí)間是 200ms（image L - iled_blinky_cm7_delay200ms_ver0.bin），版本是 0x0000（注意編譯鏈接工程時(shí)為防止 s_bt_img_l_ver 被優(yōu)化，可以在工程選項(xiàng) Linker / Input / Keep symbols 里將其添加進(jìn)去）。

const img_ver_t s_bt_img_l_ver @ ".img_ver" = {
    .version = 0x0000,
    .inversion = ~0x0000,
};

同樣的工程，再生成另一個(gè)閃燈間隔時(shí)間為 2s（image H - iled_blinky_cm7_delay2s_ver1.bin） 的 image 時(shí)使用如下常量 s_bt_img_h_ver 定義，版本是 0x0001。

const img_ver_t s_bt_img_h_ver @ ".img_ver" = {
    .version = 0x0001,
    .inversion = ~0x0001,
};

當(dāng)然如果你嫌上述方法繁瑣，也可以直接在最終 image binary 文件上做修改（注意 offset 位置一定要找對，i.MXRT1170 SDK XIP binary 文件起始數(shù)據(jù)對應(yīng) Flash 偏移是 0x400，因此文件中 0x200 處才對應(yīng) Flash 偏移 0x600）：

3.2 下載含 version 頭的 image 進(jìn) Flash

現(xiàn)在需要借助 MCUBootUtility 工具的通用編程器功能分別將兩個(gè)含 version 頭的 image L/H 下載進(jìn) Flash。這里需要注意的是此時(shí) image L 無法再通過主界面 All-In-One 操作來下載了，因?yàn)楣ぞ?v3.4 版本及以下沒有對 version 啟動(dòng)頭做識別處理，因此會丟掉 version 頭數(shù)據(jù)（這個(gè)考慮會在 v4.0 之后加入支持）。

兩個(gè) image 下載完成，一切工作就結(jié)束了，這時(shí)候你調(diào)整芯片啟動(dòng)模式到 2'b10 - Flash boot，給板卡重新上電，應(yīng)該可以看到 image H 正在執(zhí)行。

3.3 BootROM中判斷version的邏輯

BootROM 中關(guān)于 version 啟動(dòng)頭是否有效以及版本高低判斷邏輯其實(shí)是有一點(diǎn)復(fù)雜的，這里把具體代碼分享給大家，方便大家為 image 設(shè)置有效的 version 頭以及正確使能這個(gè)雙程序可交替啟動(dòng)特性。

判斷邏輯代碼主要意思是僅當(dāng) image L 的版本不是 0xFFFFFFFF 且 image H 的版本是有效的（img_ver 高低16bit符合取反關(guān)系）情況下，如果 image L 版本無效或者 image L 版本有效但比 image H 版本低，則物理地址靠后的 image H 優(yōu)先啟動(dòng)。除此以外其余情況，一律是物理地址靠前的 image L 優(yōu)先啟動(dòng)。

uint32_t image_l_base = FlexSPIx_AMBA_BASE
uint32_t image_h_base = FlexSPIx_AMBA_BASE + FLEXSPI_NOR_SEC_IMAGE_OFFSET

uint32_t get_image_index(void)
{
    uint32_t redundant_boot = ((SRC->GPR[9] & 0x0C000000) >> 26);

    static uint32_t image_index[] = { 0, 0 };
    img_ver_t image_l_version = *(img_ver_t *)(image_l_base + 0x600);
    img_ver_t image_h_version = *(img_ver_t *)(image_h_base + 0x600);
    if ((image_l_version.version != 0xFFFFu || image_l_version.inversion != 0xFFFFu) &&
        ((0xFFFFu & image_h_version.version) == (0xFFFFu ^ image_h_version.inversion)) &&
        ((0xFFFFu & image_l_version.version) != (0xFFFFu ^ image_l_version.inversion) || (image_l_version.version < image_h_version.version)))
    {
        image_index[0] = 1;
    }
    else
    {
        image_index[1] = 1;
    }

    return image_index[redundant_boot];
}

痞子衡在 MIMXRT1170-EVK 開發(fā)板上對image 版本設(shè)置情況也做了比較全面的實(shí)測，測試結(jié)果如下：

四、一些關(guān)于 image 的注意事項(xiàng)

• Note1: 雖然文中所有的測試均是針對 XIP image，但這個(gè)冗余程序/雙程序可交替啟動(dòng)特性對于 Non-XIP image 也同樣適用。Note2: 如果是 XIP image，其鏈接地址不一定要固定在偏移 0x2000 處，因?yàn)?IVT 的存在，其是可以鏈接在偏移 0x2000 之后的任意位置的。Note3: 如果是 Non-XIP image，在 SDK 包里無法直接生成含啟動(dòng)頭的 Non-XIP image binary，這時(shí)候可以先使用 MCUBootUtility 主界面的 All-In-One 操作下載一次 image，再通過通用編程器界面 Read 操作讀回來便是含啟動(dòng)頭的 Non-XIP image binary。

至此，i.MXRT1170上串行NOR Flash雙程序可交替啟動(dòng)設(shè)計(jì)痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~