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.MX RT1xxx系列MCU的BootROM功能簡介。
截止目前（2019年12月）為止i.MX RT1xxx系列已公布的芯片有七款i.MXRT105x, i.MXRT1021, i.MXRT106x，i.MXRT1015, i.MXRT1064 SIP, i.MXRT1011, i.MXRT117x，所以本文的研究對象便是這七款芯片，從參考手冊來看，這七款芯片的BootROM功能差別雖有，但總體是一個架構，所以一篇文章可以概括這七款芯片的BootROM特性。
一、Boot基本原理
1.1 從內部FLASH啟動
Boot是任何一款MCU都有的特性。提及Boot，首先應該聯想到的是FLASH，通常Cortex-M微控制器芯片內部一般都會集成FLASH（從FLASH分類上來看應該屬於Parallel NOR FLASH），你的Application代碼都是保存在FLASH里，每次上電CPU會自動從FLASH里獲取Application代碼並執行，這個行為就是Boot。
大家都知道，ARM Cortex-M內存使用的是統一編址，32bit總線的地址空間是4GB (0x00000000 - 0xFFFFFFFF)。打開最新的Arm®v6/7/8-M Architecture Reference Manual手冊找到如下system address map表，你會發現ARM已經將這4GB空間內容給初步規划好了，各ARM Cortex-M微控制器廠商在設計芯片時一般都會遵守ARM規定。
從上述system address map表中我們可以知道，ARM 4GB空間的前512MB(0x00000000 - 0x1FFFFFFF)規划為非易失性存儲器空間。看到這，你是不是明白了為啥各大廠商生產的Cortex-M芯片內部FLASH地址總是從0x0開始，因為僅含FLASH的芯片上電啟動默認都是從0x0地址開始獲取Application的初始PC和SP開始Boot。
1.2 BootROM是什么
大家是不是也會經常在芯片參考手冊里看到BootROM的字眼，BootROM是什么？BootROM其實是芯片在出廠前固化在ROM里的一段Bootloader程序。這個Bootloader程序可以幫助你完成FLASH里的Application的更新，而不需要使用額外的外部編程/調試器（比如JLink），除了Application更新之外，當然BootROM也可以完成Application的啟動，Bootloader一般提供UART/SPI/I2C/USB接口與上位機進行通信，與Bootloader配套使用的還有一個上位機軟件，當芯片從BootROM啟動后，通過這個上位機軟件與BootROM建立連接，然后可以將你的Application代碼（bin/s19/hex格式）下載進芯片FLASH。
BootROM並不是每一款MCU都有的。以恩智浦Kinetis系列MCU為例，早期的Kinetis產品比如MKL25並不含ROM，第一款支持ROM的Kinetis芯片是2014年推出的MKL03，而恩智浦的LPC系列以及意法半導體的STM32系列MCU一般都是含ROM的。不同廠商芯片的ROM起始地址可能不一樣（Kinetis ROM一般從0x1c000000開始，LPC ROM一般從0x03000000開始，STM32 ROM結束地址是0x1FFFFFFF）。
1.3 Boot Mode選擇
當芯片既有ROM也有FLASH的時候，便會出現Boot位置選擇問題，標准術語稱為Boot Mode。芯片上電CPU到底是先從FLASH啟動還是先從ROM啟動？關於這個問題，各芯片廠商的解決方案不一樣。
Kinetis的Boot Mode由FLASH偏移地址0x40d處的值（上電系統會自動將這個值加載到FTFx_FOPT寄存器中）以及NMI pin共同決定。LPC的Boot Mode由ISP[1:0]以及VBUS pins決定。STM32的Boot Mode由BOOT[1:0] pins決定。
下圖為MK80的具體Boot Mode：
下圖為LPC54114的具體Boot Mode：
下圖為STM32F407的具體Boot Mode：
1.4 從內部SRAM啟動
SRAM存在於任何一款MCU中，它除了可以保存Application數據變量外，當然也可以存放Application代碼以供CPU執行。但是SRAM是易失性存儲器，存放的數據斷電會丟失，所以從SRAM啟動跟從FLASH/ROM啟動性質不一樣。
從FLASH/ROM啟動屬於一級啟動，不依賴除了Boot Mode選擇之外的條件；而從SRAM啟動屬於二級啟動，其需要借助裸芯片本身之外的外力引導一下才能完成。外力引導的方式有兩種：一是借助於外部調試器，直接將Application下載進SRAM並將PC指向Application開始執行，其實這就是所謂的在SRAM調試；二是借助於事先存儲在FLASH/ROM中的Bootloader程序，Bootloader會將存放在FLASH（或其他非易失性存儲器，或者從上位機直接接收）中的Application先加載到SRAM里然后Jump過去執行。
1.5 從外部存儲器啟動
有些MCU並沒有內部FLASH，所以會支持外接存儲器，常見的外部存儲器有QSPI NOR/NAND, SD/eMMC, SDRAM, Parallel NOR/NAND, SPI/I2C EEPROM等，MCU內部集成相應的存儲器接口控制器，通過接口控制器可以輕松訪問這些外部存儲器。一個沒有內部FLASH的MCU肯定會有ROM（BootROM），因為必須要借助BootROM才能Boot存儲在外部存儲器的Application，所以從外部存儲器啟動也屬於二級啟動。
那么怎么理解從外部存儲器啟動？需要弄明白以下幾個問題：
第一個問題：從外部NOR FLASH存儲器啟動（比如QSPI NOR/Parallel NOR/EEPROM）跟從內部FLASH啟動有什么區別？最大的區別是從外部NOR FLASH啟動本質上屬於二級啟動，其無法像內部FLASH那樣直接啟動，需要由Bootloader引導。即使技術上可以做到存儲在外部NOR FLASH里的Application能夠原地執行（XIP），但也需要Bootloader完成外部NOR FLASH的初始化以及XIP相關配置。
第二個問題：從外部NAND FLASH存儲器啟動（比如QSPI NAND/Parallel NAND/SD/eMMC）跟從NOR FLASH啟動有什么區別？最大的區別是NAND FLASH無法像NOR FLASH那樣可以XIP執行，這是由NAND FLASH原理決定的，因為NAND FLASH是按Page訪問的並且允許壞塊的存在，這意味着CPU無法直接從NAND FLASH取指和執行，必須先由Bootloader將存放在NAND FLASH中的Application先全部拷貝到內部SRAM中，然后從SRAM啟動執行。
第三個問題：從外部SDRAM存儲器啟動跟從內部SRAM啟動有什么區別？這里其實區別倒不大，兩個都是易失性存儲器，都無法直接啟動，不過SRAM是直接掛在系統bus上，而SDRAM是掛在存儲器接口控制器上，而后者需要Bootloader去做初始化。
二、i.MXRT1xxx Boot方式
在第一部分里講了Boot基本原理以及各種Boot方式，那么i.MXRT1xxx Boot到底屬於哪一種？在回答這個問題之前我們先看一下i.MXRT105x的system memory map（其他i.MXRT1xxx也類似，區別是BootROM/ITCM/DTCM/OCRAM的size不同）。
從memory map里可以看到，i.MXRT1xxx支持存儲類型一共有三種：一是96KB的ROM（即BootROM）、二是總容量512KB的FlexRAM（OCRAM/DTCM/ITCM）、三是分配給外部存儲器接口控制器（SEMC/QSPI）的2GB區域。看到這里你應該明白了，i.MXRT1xxx Boot方式主要是借助BootROM從外部存儲器加載Application到內部SRAM/外擴RAM/原地XIP執行。
那么i.MXRT1xxx到底支持從哪些外部非易失性存儲器加載啟動呢？翻看i.MXRT1xxx的參考手冊里的System Boot章節，可以看到i.MXRT啟動支持以下7種外部存儲器：
- Serial(Multi-IO) NOR Flash via FlexSPI
- Serial(Multi-IO) NAND Flash via FlexSPI
- Parallel NOR Flash via SEMC
- SLC Raw NAND Flash via SEMC
- SD Card via uSDHC
- eMMC Card via uSDHC
- Serial(1-bit SPI) NOR/EEPROM via LPSPI
除了外部非易失性存儲器之外，i.MXRT加載啟動還支持以下2種外部易失性存儲器：
- SDRAM via SEMC
- HyperRAM via FlexSPI
上述非易失性存儲器中Serial/Parallel NOR這兩種Device可以XIP，其他5種Device無法XIP，需要拷貝到內部RAM或外接SDRAM/HyperRAM里運行。關於具體如何從這7種Device啟動，痞子衡會在下篇文章繼續聊。
三、i.MXRT1xxx Boot差異
痞子衡在文章一開始說了，i.MXRT1xxx七款芯片BootROM功能是有差異的，這個差異主要體現在啟動設備類型支持上，下面痞子衡用一個表格總結差異：
| 芯片 | Serial NOR | Serial NAND | Parallel NOR | SLC Raw NAND | SD Card | eMMC Card | 1-bit SPI NOR | SDRAM | HyperRAM |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| i.MXRT117x | 支持 | 支持 | - | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 |
| i.MXRT1064 | 支持 | - | - | - | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 |
| i.MXRT106x | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 |
| i.MXRT105x | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 |
| i.MXRT1021 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 |
| i.MXRT1015 | 支持 | 支持 | - | - | - | - | 支持 | - | 支持 |
| i.MXRT1011 | 支持 | - | - | - | - | - | - | - | 支持 |
至此，恩智浦i.MX RT1xxx系列MCU的BootROM功能痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~
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