NXP的I.MX6U系列SoC启动流程

1、前言

NXP家的I.MX6U系列的SoC支持多种启动方式以及启动设备，使用该系列SoC的用户可以根据自己的实际情况，选择合适的启动方式和启动设备，例如，可以从Nnad Flash、eMMC和SDCard等不同设备中启动，从不同的启动设备中启动，启动要求一般都不同。

2、I.MX6UL启动方式

以I.MX6UL这款SoC为例，启动引导过程是从上电复位（POR）开始的，此硬件复位逻辑强制ARM内核从芯片上的Boot ROM开始执行，Boot ROM代码通过内部寄存器BOOT_MODE[1:0]的状态以及eFUSE和GPIO设置的状态，以确定芯片的启动方式和启动设备。

Boot ROM的主要特性包括：

支持各种启动设备启动
串行下载支持（USB OTG和UART）
支持设备配置数据（DCD）和PLUGIN
基于数字签名和加密的高保正启动（HAB）
从低功耗唤醒

Boot ROM支持以下的启动设备：

NOR Flash
NAND Flash
OneNAND Flash
SD/MMC
SPI Flash和EEPROM
QSPI Flash

对于I.MX6U系列的SoC而言，有4种启动模式，这4种启动模式是由BOOT_MODE[1:0]进行控制的，其实就是芯片上的BOOT_MODE1和BOOT_MODE0这两个引脚，启动方式配置如下：

当BOOT_MODE[1:0]=01的时候，启动方式为Serial Downloader，芯片处于该模式的时候，用户可以通过USB接口进行固件下载，当BOOT_MODE[1:0]=10的时候，启动方式为Internal Boot，此时，Boot ROM代码将会读取DCD数据初始化DDR，并从启动设备，例如Nand Flash种拷贝启动镜像文件，从而引导启动，这两种启动方式是用户用得最多的。

3、Boot ROM设备初始化

对于I.MX6UL这款SoC而言，当用户配置BOOT_MODE[1:0]=10的时候，为Internel Boot启动模式，SoC将会执行Boot ROM代码，首先会进行SoC的时钟初始化，Boot ROM代码设置的系统时钟如下：

从图中可以知道，当BT_FREQ为0的时候，ARM PLL=396MHz，也就是主频为396MHz，System PLL=528MHz等，另外，Boot ROM为了加快执行速度还会打开MMU和Cache，中断向量偏移还会被设置到Boot ROM的起始位置，当用户代码启动以后可以重新设置中断向量偏移。

整个Boot ROM的启动流程，如下所示：

电源开启后，芯片首先进行复位并且执行Boot ROM中的代码，开始检查CPU的ID号，随后检查Reset的状态，如果是正常复位的话，检查芯片的启动模式（通过fuses或者GPIO配置），如果是内部启动模式的话，将会从启动设备中下载初始化启动镜像，并且进行镜像验证，如果镜像验证通过的话，将会将启动镜像进行执行，从而引导芯片正常启动。

对于I.MX6UL芯片，Boot ROM设备初始化下的内部ROM和RAM的内存映射如下：

Boot ROM代码的启动引导较复杂，关于整个启动流程的更详细过程，可以参考相关芯片的参考手册。

4、I.MX6UL启动设备选择

当I.MX6UL芯片的BOOT_MODE[1:0]=10时候，也就是从Internal Boot模式启动时，可以从下面的启动设备中启动：

接到EIM接口的CS0上的16bit的NOR Flash或者OneNAND Flash
接到GPMI接口上的MLC/SLC NAND Flash，NAND Flash页大小支持2KB、4KB和8KB，8bit宽
QSPI Flash
接到USDHC接口上的SD/MMC/eMMC等设备
接到SPI接口的EEPROM

对于这些启动设备的选择，可以通过eFUSE或者GPIO进行配置，接下来，我们需要了解的是如何通过GPIO进行这些启动设备的选择，和启动模式的选择类似，启动设备是通过BOOT_CFG1[7:0]、BOOT_CFG2[7:0]和BOOT_CFG4[7:0]这24个IO进行配置的，并且这些IO口对应着LCD的24根数据线LCD1_DATA00~LCD1_DATA23，引导启动完成以后，这24个IO口就可以作为LCD的数据线使用了，启动设备选择引脚如下所示：

启动设备的选择引脚非常多，但是在实际开发的时候，需要调整的只有BOOT_CFG1[7:4]，其它的引脚根据实际需要接高电平或者低电平即可，通过芯片的参考手册可以知道，这几个IO口的配置和对应的启动设备如下所示：

例如，当配置BOOT_CFG1[7:4]=1xxx的时候，启动设备将选择为Nand Flash，Boot ROM代码将会从该启动设备中读取下载启动镜像，从而将系统进行启动。

5、可编程Image镜像文件

接下来，介绍I.MX6UL的可编程镜像文件，使用过I.MX6UL的用户应该都知道，当我们针对I.MX6UL这款SoC进行Uboot编译烧写的时候，最终烧写到启动设备中的二进制文件是u-boot.imx，以.imx结尾的文件就是可编程Image镜像文件，它除了用户的代码和数据以外，还包括了一些特定的数据结构，例如：Image Vector Table(IVT)、Device Configure Data(DCD)等。

一个可编程的Image文件（.imx结尾）包括以下内容：

Image Vector Table—固定在ROM中的一系列指针，用于指定可编程镜像的其它组件在哪里
Boot Data—指定可编程镜像的位置、大小以及插件标志
Device Configure Data—IC的配置信息
用户的代码和数据—用户编写的.bin文件

所以，对于u-boot.imx这个可编程Image镜像文件来说，其实它包含的组件为：IVT + Boot Data + DCD + u-boot.bin，其中u-boot.bin就是用户的代码和数据，接下来，依次介绍这几部分，它们都是具有一定的固定的格式的。

（1）Image Vector Table(IVT)

可编程镜像文件.imx的最前面的数据结构就是Image Vector Table(IVT)，它是Boot ROM从启动设备提供的镜像文件中读取的数据结构，包含了芯片引导启动成功的数据组件，IVT包含了程序镜像的入口地址、指向Device Configure Data(DCD)的指针，以及Boot ROM引导启动过程中使用的其它指针。

IVT所在的固定地址是由芯片所使用的启动设备决定的，对于不同的启动设备，IVT的偏移地址（从基本地址开始）和Init Load Region的大小的相关定义如下图所示，IVT的位置要求是固定的，剩余的数据结构和镜像内存映射则是灵活。

以SD/MMC设备为例，从上表可以知道，IVT的偏移为1Kbyte，Initial Load Region的大小为4Kbyte，所以IVT + Boot Data + DCD = 4Kbyte - 1Kbyte = 3Kbyte，如果SD/MMC设备的每个扇区为512字节的话，那么.imx可编程镜像文件应该从启动设备的第三个扇区开始存储，所以.imx文件从第3Kbyte开始才是用户真正的.bin文件。

接下来，我们详细了解一下IVT里面包含了哪些内容，IVT里面的每个元素都是32bit word的，如下所示：

从上面的IVT格式表中可以看到，IVT存放的第一个元素就是header，也就是头部，它的格式如下所示：

从图中可以看到，header的元素有3个，分别是Tag、Length和Version，其中Tag为一个字节的长度，固定为0xD1，Length是两个字节，为大端模式（高字节在低内存），保存着IVT的长度，Version为一个字节，表示版本信息，为0x40或者0x41。

IVT的其它元素的介绍在上面给出的表都有相应的介绍，例如：entry表示用户可执行镜像第一条指令的绝对地址，Image Vector Table的整个示意图，如下：

（2）Boot Data Structure(Boot Data)

Boot Data数据结构中的每个元素也是32bit word的，它的格式如下所示：

在Boot Data数据结构中，start表示了可编程镜像的绝对地址，length表示了可编程镜像文件的大小，plugin表示为Plugin Image的标志位。

（3）Device Configure Data(DCD)

我们都知道，当芯片上电复位后，芯片上所有的外设寄存器使用的都是默认的寄存器值，但是，有一些寄存器的默认配置，往往不是我们想要的，因为它们达不到系统的最佳性能，并且，对于一些外围设备，我们在使用之前，需要先进行配置，例如DDR的控制器，Device Configure Data(DCD)和IVT、Boot Data一样，也是一种数据结构，同样是添加到.imx文件中，它其实就是一些寄存器的地址，以及寄存器的配置信息，Boot ROM会使用这些寄存器地址和寄存器配置来初始化芯片上的外设，DCD的区域不能超过1768bytes，它格式如下所示：

DCD数据结构的Header元素格式和IVT的header格式类似，大小为4字节，格式如下：

同样是包括了Tag、Length和Version，其中，Tag为单个字节，固定为0xD2，Length的大小为2个字节，格式为大端格式（高字节在低内存），为整个DCD数据结构（包含头部）的长度大小，Version为单个字节，固定为0x41。

[CMD]就是命令Command，表示要初始化的寄存器地址和寄存器的值，存储格式为大端存储（高字节在低内存），例如：Write Data Command，它的格式如下所示：

在Write Data Command格式表中，Tag为1个字节，固定为0xCC，Length的大小为2个字节，大端格式，表示Write Data Command的长度，包括header，Address表示数据要写入的目标寄存器地址，Value/Mask表示寄存器要写入的值或者bitmask，Parameter的大小为1个字节，该字节的每一位含义如下所示：

其中，bytes表示目标位置的宽度大小，可以选择1、2或者4字节，flags表示命令行为的控制标志位，bit3表示为Data Mask，bit4表示为Data Set，这两位的配置，决定了写命令的行为，如下：

另外，还有一些其它的命令，例如Check Data Command、NOP Command等，就不一一介绍了，有兴趣的可以去查看芯片的参考手册。

6、可编程镜像.imx实例分析

在前面，我们已经对.imx文件的整个结构组成进行了大概地分析，包括对Image Vector Table(IVT)、Boot Data Structure(Boot Data)和Device Configure Data(DCD)的数据结构格式分析，可是实际上到底是不是这样的呢？我们需要通过一个实例进行验证，例如从uboot源码中编译出来的u-boot.imx文件，可以使用WinHex软件进行查看，打开的u-boot.imx如下：

根据上面打开的u-boot.imx可编程镜像文件，将前面的32个字节的数据，按照每4个字节为一组进行组合，得到就是IVT数据结构，然后根据上面分析的IVT格式进行对应，得到如下表格：

Image Vector Table(IVT)数据结构
IVT元素	数据	说明
header	0x402000D1	第一个字节为Tag，固定为0xD1，第二和第三字节为IVT的Length，大端模式，为0x20=32字节，第四个字节为version，固定为0x40。
entry	0x87800000	用户镜像.bin文件的入口地址，也是镜像第一行指令所在的地址，用户程序的链接地址。
reserved1	0x00000000	保留，未使用，全部设置为0。
dcd	0x877FF42C	DCD的地址，用户镜像的地址为0x87800000，IVT+Boot Data+DCD的整个大小为3KB，所以u-boot.imx的起始地址为0x87800000-0xC00=0x877FF400，因此DCD的起始地址相对于u-boot.imx起始地址的偏移量为0x877FF42C-0x877FF400=0x2C，所以从打开的u-boot.imx文件中，从0x2C地址开始的数据就是DCD数据。
boot data	0x877FF420	Boot Data的地址，IVT中的header中设置了IVT长度大小为0x20=32字节，因此Boot Data的地址为0x877FF400+0x20=0x877FF420。
self	0x877FF400	IVT被复制到DRAM中的首地址。
csf	0x00000000	CFS地址。
reserved2	0x00000000	保留，未使用，全部设置为0。

分析了u-boot.imx文件中的IVT的数据结构后，接下来，将后面接着的12个字节数据，同样按照每4个字节为一组进行组合，得到的就是Boot Data数据结构，并根据上面分析的Boot Data格式进行对应，得到如下表格：

Boot Data数据结构
结构元素	数据	说明
start	0x877FF000	整个u-boot.imx镜像的起始地址，包括1KB的地址偏移。
length	0x00073000	可编程镜像u-booti.imx文件的大小，0x73000=460KB。
plugin	0x00000000	Plugin Image标志，在这未使用。

分析了u-boot.imx文件中的Boot Data数据结构后，接下来，从偏移地址0x2C开始就是DCD数据结构，同样按照4个字节为一组进行组合，得到的就是DCD数据结构，根据上面分析的DCD格式进行对应，得到如下表格：

Device Configure Data(DCD)数据结构
DCD元素	数据	说明
Header	0x40E001D2	第一个字节为Tag，固定为0xD2，第二和第三字节为DCD的长度大小，大端格式存储，为0x01E0=480字节，第四个字节为Version，固定为0x40。
Write Data Command	0x04DC01CC	第一个字节为Tag，固定为0xCC，第二和第三字节为Write Data Command的总长度，包括header，大端格式存储，为0x01DC=476字节，第四个字节为Parameter，为0x04，表示目标位置宽度为4个字节。
Address	0x020C4068	CCM_CCGR0寄存器地址。
Value	0xFFFFFFFF	写入CCM_CCGR0寄存器的值，表示开启CCM_CCGR0控制的外设的所有时钟。
...	...	CCM_CCGR1-CCM_CCGR6寄存器的地址以及写入寄存器的值，表示开启CCM_CCGR1-CCM_CCGR6控制的外设的所有时钟。
Address	0x020E04B4	IOMUXC_SW_PAD_CTL_GRP_DDR_TYPE寄存器地址。
Value	0x000C0000	IOMUXC_SW_PAD_CTL_GRP_DDR_TYPE寄存器写入的值，设置为DDR3模式。
Address	0x020E04AC	IOMUXC_SW_PAD_CTL_GRP_DDRPKE寄存器地址。
Value	0x00000000	bit12写入0，表示所有的DDR引脚关闭Pull/Keeper功能。
Address	0x020E027C	IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_DRAM_SDCLK0_P寄存器地址。
Value	0x00000028	设置DRAM_SDCLK0_P引脚驱动能力为R0/5。
...	...	和上面类似，都是DDR相关引脚的配置，相关寄存器的地址和寄存器要写入的值。
Address	0x020E0248	IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_DRAM_DQM1寄存器地址。
Value	0x00000028	设置DRAM_DQM1引脚驱动能力为R0/5。
Address	0x021B001C	MMDC Core Special Command Register的地址。
Value	0x00008000	bit15设置为1，表示申请MMDC配置是有效的。
Address	0x021B0800	MMDC PHY ZQ SW control register的地址。
Value	0xA1390003	MMDC寄存器写入的值。
...	...	MMDC相关配置寄存器的地址和寄存器要配置的值。

到这里，u-boot.imx文件中的DCD数据结构就总结完成了，里面就主要的就是一些芯片外设时钟的开启，以及MMDC寄存器地址和MMDC寄存器里面要配置的值，目的就是用来初始化DDR。

7、.imx文件的产生方式

对于.imx文件的生成，在uboot源码里面集成了一个工具mkimage，关于.imx文件的生成的更详细信息，可以查看下面的文件：

uboot/doc/README.imximage

对于mkimage工具的使用，命令如下：

./tools/mkimage -T imximage \
        -n <board specific configuration file> \
        -e <execution address> -d <u-boot binary>  <output image file>

其中，-T imximage表示生成的目标文件类型，-n指定板子特定的配置文件，需要是编译uboot时候imximage.cfg产生的imximage.cfg.cfgtmp文件，其实imximage.cfg中包含的就是我们需要添加的DCD数据，-e指定了用户镜像的入口地址，也就是用户镜像的链接地址，-d指定uboot.bin二进制文件，最后则是要生成的镜像的文件名称，例如u-boot.imx，其实u-boot.bin也是一个比较复杂的裸机程序，该工具不只是局限于uboot使用，也可以用于我们自己编写的.bin文件，用来产生.imx文件。

以mx6ul_14x14_evk的板子为例，对于该工具的使用命令如下：

./tools/mkimage -n ./board/freescale/mx6ul_14x14_evk/imximage.cfg.cfgtmp \
        -T imximage -e 0x87800000  \
        -d u-boot.bin u-boot.imx

用户镜像的入口地址为0x87800000，该地址也是uboot编译时的链接地址，最后生成的文件为u-boot.imx，将该文件烧写到Nand Flash或MMC启动设备即可。

8、小结

本文主要对NXP家的I.MX6U系列的SoC的的启动流程进行大概的总结，包括从芯片上电复位执行Boot ROM的流程的分析，还有就是介绍了可编程镜像.imx文件中的组件，IVT、Boot Data和DCD相关数据结构的详细介绍，最后则是介绍了使用uboot源码集成的工具mkimage生成.imx文件的方式。