痞子衡嵌入式：飛思卡爾Kinetis系列MCU啟動那些事（1）- KBOOT架構

痞子衡發表於2017-04-02
boot架構

　　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飛思卡爾Kinetis系列MCU的KBOOT架構。

　　Bootloader是嵌入式MCU開發裡很常見的一種專用的應用程式，在一個沒有Bootloader的嵌入式系統裡如果要更新Application，只能通過外部硬體偵錯程式/下載器，而如果有了Bootloader，我們可以輕鬆完成Application的更新升級以及載入啟動，除此以外在Bootloader中還可以引入更多高階特性，比如Application完整性檢測、可靠升級、加密特性等。
　　KBOOT是設計執行於Kinetis晶片上的一種Bootloader，KBOOT由飛思卡爾（現恩智浦）官方推出，其功能非常全面，今天痞子衡就為你揭開KBOOT的神祕面紗：

一、KBOOT由來

　　飛思卡爾Kinetis系列MCU是從2010年開始推出的，早期的Kinetis產品比如MK60, MKL25並沒有配套標準Bootloader功能，不過可以從飛思卡爾官網上找到很多風格迥異的Bootloader參考設計，比如AN2295（UART型）、AN4655（I2C型）、AN4379（USB-MSD型）等，這些Bootloader參考方案都是不同的飛思卡爾應用工程師設計的，因此所用的通訊協議以及上位機工具都不相同，雖然這些AN一定程度上能解決客戶使用Bootloader的需求，但是在Bootloader後續維護升級以及擴充性方面有一定缺陷。
　　飛思卡爾也逐漸意識到了這一點，為了完善軟體生態建設與服務質量，於是在2013年初組建了一支專門開發Kinetis Bootloader的軟體團隊，即KBOOT Team，這個Team成立的目的就是要開發出一個Unified Kinetis Bootloader（簡稱KBOOT），這個bootloader必須擁有良好的架構，易於擴充套件和維護，功能全面且經過完善的驗證。
　　KBOOT專案發展至今（2017）已近5年，目前被廣泛應用於主流Kinetis晶片上，是Kinetis晶片整合Bootloader的首選，其官方主頁是 www.nxp.com/kboot

二、KBOOT架構

　　從架構角度來分析KBOOT，拋開各種附加特性，其實KBOOT最核心的就是這三大元件：Peripheral Interface、Command & Data Processor、Memory Interface，如下圖所示：

痞子衡嵌入式：飛思卡爾Kinetis系列MCU啟動那些事（1）- KBOOT架構

2.1 Peripheral Interface

　　KBOOT首要功能是能夠與Host進行資料傳輸，我們知道資料傳輸介面種類有很多，KBOOT設計上可同時支援多種常見傳輸介面（UART, SPI, I2C, USB-HID, CAN），為此KBOOT在Peripheral Interface元件中抽象了Peripheral的行為（byte/packet層傳輸等），使得在Peripheral種類擴充上更容易。
　　KBOOT中使用一個名叫g_peripherals[]的結構體陣列來集合所有外設，下面示例僅包含UART, USB：

//! @brief Peripheral array.
const peripheral_descriptor_t g_peripherals[] = {
#if BL_CONFIG_LPUART_0
    // LPUART0
    {.typeMask = kPeripheralType_UART,
     .instance = 0,
     .pinmuxConfig = uart_pinmux_config,
     .controlInterface = &g_lpuartControlInterface,
     .byteInterface = &g_lpuartByteInterface,
     .packetInterface = &g_framingPacketInterface },
#endif // BL_CONFIG_LPUART_0

#if BL_CONFIG_USB_HID
    // USB HID
    {.typeMask = kPeripheralType_USB_HID,
     .instance = 0,
     .pinmuxConfig = NULL,
     .controlInterface = &g_usbHidControlInterface,
     .byteInterface = NULL,
     .packetInterface = &g_usbHidPacketInterface },
#endif    // BL_CONFIG_USB_HID

    { 0 } // Terminator
};

　　如下便是用於抽象外設行為的Peripheral descriptor原型，該原型可以描述所有型別的peripheral：

//! @brief Peripheral descriptor.
//!
//! Instances of this struct describe a particular instance of a peripheral that is
//! available for bootloading.
typedef struct PeripheralDescriptor
{
    //! @brief Bit mask identifying the peripheral type.
    //! See #_peripheral_types for a list of valid bits.
    // 外設的型別名，KBOOT用於識別當前外設的型別
    uint32_t typeMask;

    //! @brief The instance number of the peripheral.
    // 外設的編號，KBOOT可以支援同一外設的多個例項
    uint32_t instance;

    //! @brief Configure pinmux setting for the peripheral.
    // 外設的I/O初始化
    void (*pinmuxConfig)(uint32_t instance, pinmux_type_t pinmux);

    //! @brief Control interface for the peripheral.
    // 外設的行為控制
    const peripheral_control_interface_t *controlInterface;

    //! @brief Byte-level interface for the peripheral.
    //! May be NULL since not all periperhals support this interface.
    // 外設的byte級別傳輸控制
    const peripheral_byte_inteface_t *byteInterface;

    //! @brief Packet level interface for the peripheral.
    // 外設的packet級別傳輸控制
    const peripheral_packet_interface_t *packetInterface;
} peripheral_descriptor_t;

//! @brief Peripheral control interface.
typedef struct _peripheral_control_interface
{
    // 檢測是否外設是否被啟用
    bool (*pollForActivity)(const peripheral_descriptor_t *self);
    // 外設IP底層初始化
    status_t (*init)(const peripheral_descriptor_t *self, serial_byte_receive_func_t function);
    // 外設IP底層恢復
    void (*shutdown)(const peripheral_descriptor_t *self);
    // 特殊外設pump控制（比如USB-MSC, DFU等）
    void (*pump)(const peripheral_descriptor_t *self);
} peripheral_control_interface_t;

//! @brief Peripheral abstract byte interface.
typedef struct _peripheral_byte_inteface
{
    // byte傳輸初始化，一般為NULL
    status_t (*init)(const peripheral_descriptor_t *self);
    // byte傳送
    status_t (*write)(const peripheral_descriptor_t *self, const uint8_t *buffer, uint32_t byteCount);
} peripheral_byte_inteface_t;

//! @brief Peripheral Packet Interface.
typedef struct _peripheral_packet_interface
{
    // packet傳輸初始化
    status_t (*init)(const peripheral_descriptor_t *self);
    // 接收一包packet
    status_t (*readPacket)(const peripheral_descriptor_t *self, uint8_t **packet, uint32_t *packetLength, packet_type_t packetType);
    // 傳送一包packet
    status_t (*writePacket)(const peripheral_descriptor_t *self, const uint8_t *packet, uint32_t byteCount, packet_type_t packetType);
    // 立即終止當前packet
    void (*abortDataPhase)(const peripheral_descriptor_t *self);
    // 完成當前packet
    status_t (*finalize)(const peripheral_descriptor_t *self);
    // 獲取最大packet包長
    uint32_t (*getMaxPacketSize)(const peripheral_descriptor_t *self);
    // byte接收callback
    void (*byteReceivedCallback)(uint8_t byte);
} peripheral_packet_interface_t;

2.2 Memory Interface

　　KBOOT其次功能是能夠讀寫儲存空間，Kinetis上涉及的儲存空間包括內部SRAM, Flash，Register、I/O以及外部QuadSPI NOR Flash（可以對映在MCU內部儲存空間），為此KBOOT在Memory Interface元件中抽象了Memory的行為（read/write/erase等），使得在Memory種類擴充上更容易。
　　KBOOT中使用一個名叫g_memoryMap[]的結構體陣列來集合所有儲存空間，下面示例包含了典型的儲存空間（Flash、RAM、Register、I/O、QSPI NOR Flash）：

//! @brief Memory map.
//!
//! This map is not const because it is updated at runtime with the actual sizes of
//! flash and RAM for the chip we're running on.
//! @note Do not change the index of Flash, SRAM, or QSPI (see memory.h).
memory_map_entry_t g_memoryMap[] = {
    { 0x00000000, 0x0003ffff, kMemoryIsExecutable, &g_flashMemoryInterface },    // Flash array (256KB)
    { 0x1fff0000, 0x2002ffff, kMemoryIsExecutable, &g_normalMemoryInterface },   // SRAM (256KB)
    { 0x68000000, 0x6fffffff, kMemoryNotExecutable, &g_qspiMemoryInterface },    // QSPI memory
    { 0x04000000, 0x07ffffff, kMemoryNotExecutable, &g_qspiAliasAreaInterface }, // QSPI alias area
    { 0x40000000, 0x4007ffff, kMemoryNotExecutable, &g_deviceMemoryInterface },  // AIPS0 peripherals
    { 0x40080000, 0x400fefff, kMemoryNotExecutable, &g_deviceMemoryInterface },  // AIPS1 peripherals
    { 0x400ff000, 0x400fffff, kMemoryNotExecutable, &g_deviceMemoryInterface },  // GPIO
    { 0xe0000000, 0xe00fffff, kMemoryNotExecutable, &g_deviceMemoryInterface },  // M4 private peripherals
    { 0 }                                                                        // Terminator
};

　　如下便是用於抽象儲存器操作的memory_map_entry原型，該原型可以描述所有型別的memory：

//! @brief Structure of a memory map entry.
typedef struct _memory_map_entry
{
    // 儲存空間起始地址
    uint32_t startAddress;
    // 儲存空間結束地址
    uint32_t endAddress;
    // 儲存空間屬性（Flash/RAM，是否能XIP）
    uint32_t memoryProperty;
    // 儲存空間操作介面
    const memory_region_interface_t *memoryInterface;
} memory_map_entry_t;

typedef struct _memory_region_interface
{
    // 儲存空間（IP控制器）初始化
    status_t (*init)(void);
    // 從儲存空間指定範圍內讀取資料
    status_t (*read)(uint32_t address, uint32_t length, uint8_t *buffer);
    // 將資料寫入儲存空間指定範圍內
    status_t (*write)(uint32_t address, uint32_t length, const uint8_t *buffer);
    // 將pattern填充入儲存空間指定範圍內
    status_t (*fill)(uint32_t address, uint32_t length, uint32_t pattern);
    // 對於支援page/section程式設計的儲存器做一次page/section資料寫入
    status_t (*flush)(void);
    // 將儲存空間指定範圍內容擦除
    status_t (*erase)(uint32_t address, uint32_t length);
} memory_region_interface_t;

2.3 Command & Data Processor

　　KBOOT核心功能便是與Host之間的命令互動，KBOOT主要工作於Slave模式，實時監聽來自Host的命令並做出響應，KBOOT僅能識別事先規定好的命令格式，因此KBOOT必須配套一個專用上位機工具使用。你可能會疑問，為什麼這個元件又叫Data Processor？因為有些命令是含有Data phase的（比如read memory, write memory），對於這些命令時除了基本的命令互動響應之後，還必須有資料傳輸互動響應。
　　KBOOT中使用如下名叫g_commandInterface和g_commandHandlerTable[]的結構變數來實現核心命令互動，KBOOT中一共實現了19條命令：

// See bl_command.h for documentation on this interface.
command_interface_t g_commandInterface = 
{
    bootloader_command_init,
    bootloader_command_pump,
    (command_handler_entry_t *)&g_commandHandlerTable,
    &g_commandData
};

//! @brief Command handler table.
const command_handler_entry_t g_commandHandlerTable[] = {
    // cmd handler              // data handler or NULL
    { handle_flash_erase_all, NULL },              // kCommandTag_FlashEraseAll = 0x01
    { handle_flash_erase_region, NULL },           // kCommandTag_FlashEraseRegion = 0x02
    { handle_read_memory, handle_data_producer },  // kCommandTag_ReadMemory = 0x03
    { handle_write_memory, handle_data_consumer }, // kCommandTag_WriteMemory = 0x04
    { handle_fill_memory, NULL },                  // kCommandTag_FillMemory = 0x05
    { handle_flash_security_disable, NULL },       // kCommandTag_FlashSecurityDisable = 0x06
    { handle_get_property, NULL },                    // kCommandTag_GetProperty = 0x07
    { handle_receive_sb_file, handle_data_consumer }, // kCommandTag_ReceiveSbFile = 0x08
    { handle_execute, NULL },                         // kCommandTag_Execute = 0x09
    { handle_call, NULL },                            // kCommandTag_Call = 0x0a
    { handle_reset, NULL },                           // kCommandTag_Reset = 0x0b
    { handle_set_property, NULL },                    // kCommandTag_SetProperty = 0x0c
    { handle_flash_erase_all_unsecure, NULL },        // kCommandTag_FlashEraseAllUnsecure = 0x0d
    { handle_flash_program_once, NULL },              // kCommandTag_ProgramOnce = 0x0e
    { handle_flash_read_once, NULL },                 // kCommandTag_ReadOnce = 0x0f
    { handle_flash_read_resource, handle_data_producer }, // kCommandTag_ReadResource = 0x10
    { handle_configure_memory, NULL },                    // kCommandTag_ConfigureMemory = 0x11
    { handle_reliable_update, NULL },                     // kCommandTag_ReliableUpdate = 0x12
    { handle_generate_key_blob, handle_key_blob_data },   // kCommandTag_GenerateKeyBlob = 0x13
};

　　如下便是用於核心命令互動的Command interface原型：

//! @brief Interface to command processor operations.
typedef struct CommandInterface
{
    // command處理控制單元初始化
    status_t (*init)(void);
    // command處理控制單元pump
    status_t (*pump)(void);
    // command服務函式查詢表
    const command_handler_entry_t *handlerTable;
    // command處理控制單元狀態資料
    command_processor_data_t *stateData;
} command_interface_t;

//! @brief Format of command handler entry.
typedef struct CommandHandlerEntry
{
    // command服務函式
    void (*handleCommand)(uint8_t *packet, uint32_t packetLength);
    // command的data級處理函式（只有少部分command有此函式）
    status_t (*handleData)(bool *hasMoreData);
} command_handler_entry_t;

//! @brief Command processor data format.
typedef struct CommandProcessorData
{
    // command處理控制狀態機當前狀態（command/data兩種狀態）
    int32_t state;
    // 指向當前處理的packet地址
    uint8_t *packet;
    // 當前處理的packet長度
    uint32_t packetLength;
    // command的data級處理控制狀態資料
    struct DataPhase
    {
        uint8_t *data;               //!< Data for data phase
        uint32_t count;              //!< Remaining count to produce/consume
        uint32_t address;            //!< Address for data phase
        uint32_t memoryId;           //!< ID of the target memory
        uint32_t dataBytesAvailable; //!< Number of bytes available at data pointer
        uint8_t commandTag;          //!< Tag of command running data phase
        uint8_t option;              //!< option for special command
    } dataPhase;
    // 指向command服務函式查詢表地址
    const command_handler_entry_t *handlerEntry; //! Pointer to handler table entry for packet in process
} command_processor_data_t;

　　至此，飛思卡爾Kinetis系列MCU的KBOOT架構痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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