【认识 i.MX RT】RT1060 的启动映像文件

        前一篇博文介绍了 RT1060 的最小系统硬件设计的一些要求和注意事项，接下来我们就来看看RT1060 的启动映像文件。

        学习 RT 的启动映像文件是每个做 RT 软件设计的工程师的必修课。在上一篇博文中介绍过，RT1060 片内有一个 Boot ROM，而且支持 6 种外部存储器：

              ① Serial NOR Flash via FlexSPI

              ② Serial NAND Flash via FlexSPI

              ③ Parallel NOR Flash via SEMC

              ④ RAW NAND Flash via SEMC

              ⑤ SD/MMC via µSDHC

              ⑥ SPI NOR/EEPROM via LPSPI

        其中 Serial/Parallel NOR 这两种 Device 可以 XIP，其他 4 种 Device 无法 XIP，需要拷贝到内部 RAM 或外接 SDRAM 里运行。

        i.MX RT Boot 方式主要是借助 Boot ROM 从外部存储器加载 Application 到内部 SRAM / 外部 SDRAM / 原地 XIP 执行。Boot ROM 是固化在芯片内部的一段启动代码，这个代码会在系统上电时被执行。

        Boot ROM 先对芯片进行必要的初始化后，会根据各个 GPIO 电平来选择一个启动方式，然后再从外部存储器中读取启动映像文件（Bootable Image）。Bootable Image 是由一些额外的信息数据与 Application Binary 共同组成的，那些额外的信息数据按功能分有 6 类，但这 6 类信息数据并不都是必须的，其中有 4 类是可选的，因此一个 Bootable Image 最多由 7 部分组成，最少由 3 部分组成。下面按在 FLASH 里存储位置从低到高的顺序逐一介绍组成 Bootable Image 的 7 大部分：

1. 偏移 0x0000: FDCB（Flash Device Configuration Block）

        第一个组成部分叫 FDCB，是个可选组成，目前只用于 Serial/Parallel NOR FLASH，FDCB 是从 FLASH 的起始地址处开始存放的，也是 Bootable Image 最开始部分。FDCB 最大 4KB，是一组没有统一的、与 FLASH 有关的结构体数据，具体组成结构根据启动 FLASH 的接口类型（Serial/Parallel）而定，其一般是用来存储当前连接的 FLASH 的具体特性参数，Boot ROM 上电会使用通用且可靠的 FLASH 接口控制器配置（即 Boot ROM 中默认参数配置，一般是比较低速的配置）去访问外接 FLASH 并获取 FDCB，然后根据 FDCB 存储的参数去重新配置 FLASH 接口控制器再去进一步访问 FLASH。

2. 偏移0x0400/0x1000: IVT（Image Vector Table）

        第二个组成部分叫 IVT，是个必备组成，也是 6 类信息数据里的最核心数据，IVT 是一个统一的与 FLASH 无关的结构体数据，其原型如下面结构体所示，从结构体定义我们得知，IVT 中记录了Application、DCD、BD、CSF 的位置信息，这些信息对 Boot ROM 加载启动至关重要。IVT 大小固定为 32byte，其在 Bootable image 中的偏移位置也是固定的（对于 XIP FLASH 而言偏移是 0x1000，对于 Non-XIP FLASH 而言偏移是 0x400）。       

typedef struct _ivt_ {
    /** @ref hdr with tag #HAB_TAG_IVT, length and HAB version fields
     *  (see @ref data)
     */
    uint32_t hdr;
    /** Absolute address of the first instruction to execute from the
     *  image
     */
    uint32_t entry;
    /** Reserved in this version of HAB: should be NULL. */
    uint32_t reserved1;
    /** Absolute address of the image DCD: may be NULL. */
    uint32_t dcd;
    /** Absolute address of the Boot Data: may be NULL, but not interpreted
     *  any further by HAB
     */
    uint32_t boot_data;
    /** Absolute address of the IVT.*/
    uint32_t self;
    /** Absolute address of the image CSF.*/
    uint32_t csf;
    /** Reserved in this version of HAB: should be zero. */
    uint32_t reserved2;
} ivt;

        下图是包含 IVT、BD、DCD、Application、CSF 的 Bootable Image的Layout，很好地诠释了IVT 的作用。

        

3. 偏移0x0420/0x1020: BD（Boot Data）

        第三个组成部分叫 BD，是个必备组成，是仅次于 IVT 的核心数据，BD 也是一个统一的与FLASH 无关的结构体数据，其原型如下面结构体所示，BD 中记录了 Bootable Image 的起始地址与总长度。BD 大小固定为 16 字节。BD 位置信息虽然记录在了 IVT 中，但其在 Bootable Image 中的偏移位置并不是任意的，它紧挨着 IVT。

typedef struct _boot_data_ {

uint32_t start; /* boot start location */
uint32_t size; /* size */
uint32_t plugin; /* plugin flag - 1 if downloaded application is plugin */
uint32_t placeholder; /* placehoder to make even 0x10 size */
}BOOT_DATA_T;

4. DCD（Device Configuration Data）

        第四个组成部分叫 DCD，是个可选组成，目前主要用于 SDRAM 接口控制器（SEMC）的配置。由于 i.MX RT 内部 SRAM 空间通常是够用的，且访问速度也很快，所以 SDRAM 并不一定要被使能。 DCD 允许占用的最大空间是 1768 字节。下面是 DCD 示例：

const uint8_t dcd_data[] = {
    /* HEADER */
    /* Tag */
    0xD2,
    /* Image Length */
    0x04, 0x30,
    /* Version */
    0x41,

    /* COMMANDS */

    /* group: 'Imported Commands' */
    /* #1.1-117, command header bytes for merged 'Write - value' command */
    0xCC, 0x03, 0xAC, 0x04,
    /* #1.1, command: write_value, address: CCM_CCGR0, value: 0xFFFFFFFF, size: 4 */
0x40, 0x0F, 0xC0, 0x68, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF,
……
};

5. 偏移0x2000: Application Binary

        第五个组成部分是最熟悉的 Application Binary，当然是个必备组成，其在 Bootable Image 中的偏移位置固定（0x2000），关于 Application 本身这里就不再赘述了。只特别提一点，那就是i.MX RT 的 Application 只读段（主要指 ARM 中断向量表）并不可以从任意地址开始链接，有一个小小的限制，必须从选定的存储器地址空间偏移 0x2000 之后开始链接（如选中 ITCM，则必须要链接在 0x00002000 之后；如选中 DTCM，则必须链接在 0x20002000 之后...），因为要预留至少 8KB 空间给 IVT、BD、DCD 等数据，这个限制是 Boot ROM自身决定的，务必要注意。

6. CSF（Command Sequence File）

        第六个组成部分叫 CSF，是个特性组成，主要用于安全启动的认证相关特性。

7. Key Blob

        第七个组成部分叫 Key Blob，是个特性组成，主要用于安全启动的加密相关特性。

        以上 7 大组成部分在实际应用中，主要形成如下三种常用分类：

              ① Unsigned Image: 这是最简单的 Image 类型，由 IVT + BD + Application 组成，主要用于产品开发阶段。

              ② Signed Image: 这是较复杂的 Image 类型，由 IVT + BD + Application + CSF 组成，一般用于产品发布阶段。

              ③ Encrypted Image: 这是最复杂的 Image 类型，由 IVT + BD + Application + CSF + Key Blob组成，主要用于对安全要求较高的产品中。

        Boot ROM 首先读取启动映像文件（Bootable Image）前 4KB 数据进 SRAM 临时缓存区（OCRAM：0x20208000 - 0x20208FFF），这 4KB 数据里包含了 IVT 和 BD。Boot ROM 从 IVT和 BD 里获取到 Bootable Image 的目标地址（BOOT_DATA_T.start）以及总长度（BOOT_DATA_T.size），此时便可以开始做进一步加载。把这 4KB 数据首先复制到 Bootable Image 的目标地址（ITCM）之后，Boot ROM 会接着将剩下的 Bootable Image（BOOT_DATA_T.size - 4KB）从外部 Flash  中全部读取出来存到目标区域（ITCM）完成全部加载。

        以上就是关于启动映像文件（Bootable Image）的组成和加载过程，感谢 NXP 的痞子衡提供的资料。在后续的博文中，我会继续写一些关于 RT1060 的设计笔记，请多多来大大通关注我哦。

参考资料

1. i.MX RT1060 Processor Reference Manual - https://www.nxp.com.cn/products/processors-and-microcontrollers/arm-microcontrollers/i-mx-rt-crossover-mcus/i-mx-rt1060-crossover-mcu-with-arm-cortex-m7-core:i.MX-RT1060?tab=Documentation_Tab
2. i.MX RT系列MCU启动那些事(1)- Boot简介 - https://www.nxpic.org.cn/module/forum/thread-615826-1-1.html
3. i.MX RT Bootable image格式与加载过程 - https://www.nxpic.org.cn/module/forum/thread-619219-1-1.html