大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家分享的是深入i.MXRT1050系列ROM中序列NOR Flash啟動初始化流程。
從外部序列NOR Flash啟動問題是i.MXRT系列開發最高頻的話題，無論是開發除錯XIP應用程式階段還是最終產品量產階段都繞不開NOR Flash選型以及為它設計一個匹配的FDCB配置塊。如果不瞭解FDCB是什麼，先去看痞子衡之前的文章 《Bootable image格式與載入》。
實際開發過程中，影響序列NOR Flash正常下載/啟動的因素有很多，痞子衡已經寫過三篇：《16MB以上使用不當因素》、《SFDP因素》、《QE bit因素》，列舉了三個不同因素，當然這都是出了問題，具體除錯分析才定位出來的，顯然還有很多未知因素等待陸續被髮掘。
如果總是被動去解決問題，那問題是解不完的。不如我們主動出擊，摸清i.MXRT啟動序列NOR Flash裝置到底是怎樣的初始化流程，搞清這個流程，將來定位啟動問題才能遊刃有餘，話不多說，開始今天的主題。
- 備註：本文主角是i.MXRT1050，但內容也基本適用i.MXRT1010、i.MXRT1020，僅細節微小差別。
一、整體初始化流程
我們知道外部序列NOR Flash是接到i.MXRT的FlexSPI外設引腳上，有時序列NOR Flash啟動也叫FlexSPI NOR啟動。關於FlexSPI NOR啟動流程，i.MXRT1050參考手冊System Boot章節有如下流圖，藍框之外的流程屬於常規i.MXRT啟動XIP App流程，是個通用流程。藍框之內才是具體FlexSPI初始化步驟，這個步驟概括得比較精煉。
為了讓大家對FlexSPI NOR裝置啟動初始化流程有個更具體的概念，痞子衡重新畫了一張更詳細的流程圖，圖中灰底框裡描述得是FlexSPI初始化流程，痞子衡將其分解成了六步，我們有必要深入這六步初始化流程。
二、分解初始化流程
2.1 復位Flash晶片（可選）
第一步是嘗試復位Flash晶片，這步是可選的，在fuse_0x6e0[7]裡配置，預設是不使能的。復位Flash目的是為了讓Flash處於一個確定的初始狀態，方便i.MXRT BootROM去配置訪問。為什麼要強調Flash的初始狀態，因為很多時候i.MXRT未必是冷啟動（上電啟動），也有可能是軟復位啟動（比如呼叫NVIC_SystemReset），這時候外部Flash已經被軟復位前執行過的BootROM甚至使用者App配置過，因此Flash的狀態可能不是上電初始狀態（一般來說板級設計裡Flash的RESET#引腳要麼懸空，要麼連線i.MXRT的POR#引腳），這可能會影響軟復位後BootROM去再次配置啟動這塊不定態的Flash。
fuse 0x6e0[7] - FLEXSPI_RESET_PIN_EN
正常的Flash都提供了RESET#引腳來實現跟上電覆位一樣的功能，對於普通8-pin的QSPI Flash，這個RESET#引腳往往是跟訊號線IO3複用的（僅在QE bit沒使能情況下有效），而對於16-pin的QSPI Flash或者HyperFlash，其RESET#引腳都是獨立的。
BootROM就是藉助了Flash的RESET#引腳來實現的復位操作，實現程式碼比較簡單，i.MXRT1050 BootROM直接指定了GPIO1[9]當做復位訊號線，板級設計裡需要你將GPIO1[9]連到Flash的RESET#引腳，然後BootROM就是簡單地拉低GPIO1[9]即可。RESET#訊號都是低電平有效，BootROM直接拉低這個訊號持續250us，這個低電平持續時間對於復位來說是夠夠的，很多Flash資料手冊裡其實僅要求幾us即可。
- 備註：對於BootROM的Flash復位功能來說，主要適用有獨立RESET#引腳的Flash。
#define RESET_PAD_IDX kIOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO_AD_B0_09
#define RESET_PIN_MUX IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_MUX_MODE(5)
#define RESET_PIN_GPIO GPIO1
#define RESET_PIN_INDEX 9
if ((OCOTP->MISC_CONF1 & 0x80) >> 7)
{
// Set pinmux as GPIO
IOMUXC->SW_MUX_CTL_PAD[RESET_PAD_IDX] = RESET_PIN_MUX;
// Set GPIO to output mode
RESET_PIN_GPIO->GDIR |= (1U<<RESET_PIN_INDEX);
// High
RESET_PIN_GPIO->DR_SET = (1U<<RESET_PIN_INDEX);
sw_delay_us(250);
// Low
RESET_PIN_GPIO->DR_CLR = (1U<<RESET_PIN_INDEX);
sw_delay_us(250);
// High
RESET_PIN_GPIO->DR_SET = (1U<<RESET_PIN_INDEX);
sw_delay_us(500);
}
2.2 準備初始FDCB配置塊
第二步是準備一個初始的FDCB配置塊（即flexspi_nor_config_t，大小為512位元組），這個初始FDCB配置塊將被用來做FlexSPI外設的第一次初始化，目的是為了能夠保證FlexSPI初始化之後CPU能夠使用AHB方式正常讀取Flash（訪問效能不要求最高，但求穩定訪問）。這個初始FDCB並不是一個完全定死的配置塊，部分值也是根據fuse來配置的，一共有三處fuse位置，其中最重要的是FLASH_TYPE：
fuse 0x440[20] - QSPI_2ND_BOOTPIN_ENABLE，決定是否啟動第二組FlexSPI pinmux
fuse 0x450[10:8] - FLASH_TYPE，決定當前連線的Flash型別
fuse 0x470[30:24] - DELAY_CELL_NUM，設定Flash讀訪問時序資料線有效時間
初始FDCB配置塊中僅給memConfig設了值，這個memConfig才是用於配置FlexSPI外設本身。如下部分賦值是固定的FDCB設定，不受fuse影響，從這個固定配置你可以看到，BootROM假定了所有外接Flash都是128MB，且訪問時鐘(SCK)速度能支援30MHz，不要對這個假定感到焦慮，它只是用於FlexSPI第一次初始化，目的只求能正常訪問Flash前4KB即可：
flexspi_nor_config_t config;
memset(config, 0, sizeof(config));
// 公共的FDCB配置
config.memConfig.tag = FLEXSPI_CFG_BLK_TAG;
config.memConfig.version = FLEXSPI_CFG_BLK_VERSION;
config.memConfig.deviceType = kFlexSpiDeviceType_SerialNOR;
config.memConfig.sflashA1Size = 128UL*1024*1024;
config.memConfig.serialClkFreq = kFlexSpiSerialClk_30MHz;
config.memConfig.dataHoldTime = 3;
config.memConfig.dataSetupTime = 3;
config.memConfig.timeoutInMs = 1000;
然後便是從fuse裡獲取flashType，根據具體flashType來對初始FDCB配置塊做進一步動態賦值，這進一步賦值才用於區分不同Flash種類（Pad數量、DQS訊號屬性、最重要的lookupTable等）。
// 從fuse裡獲取flash型別
uint32_t flashType;
if ((OCOTP->CFG3 & 0x100000) >> 20)
{
flashType = 7;
}
else
{
flashType = (OCOTP->CFG4 & 0x700) >> 8;
}
上圖中最重要的FDCB賦值是config.memConfig.lookupTable，它是FlexSPI外設需要的核心配置，有了這個配置，CPU便可以直接從AHB匯流排讀取Flash的內容，因為FlexSPI會自動解析AHB匯流排讀請求然後翻譯成具體FlexSPI讀時序，底層讀時序需要的命令、地址位元組數、DUMMY週期都在lookupTable裡。BootROM預存瞭如下6大類Flash的lookupTable：
// Dedicated 3Byte Address Read(0x03), 24bit address
static const uint32_t s_dedicated3bRead[4] = {
FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x03, RADDR_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x18),
FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x04, STOP, FLEXSPI_1PAD, 0),
0,
0
};
// Dedicated 4Byte Address Read(0x13), 32 bit address
static const uint32_t s_dedicated4bRead[4] = {
FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x13, RADDR_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x20),
FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x04, STOP, FLEXSPI_1PAD, 0),
0,
0
};
// HyperFlash Read
static const uint32_t s_hyperflashRead[4] = {
FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0xA0, RADDR_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x18),
FLEXSPI_LUT_SEQ(CADDR_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x10, DUMMY_RWDS_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x0c),
FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x04, STOP, FLEXSPI_8PAD, 0),
0
};
// MXIC Octal DDR read
static const uint32_t s_mxicOctDdrRead[4] = {
FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0xEE, CMD_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x11),
FLEXSPI_LUT_SEQ(RADDR_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x20, DUMMY_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0xc),
FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x04, STOP, FLEXSPI_8PAD, 0),
0
};
// Micron Octal DDR read
static const uint32_t s_micronOctDdrRead[4] = {
FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR, FLEXSPI_8PAD, 0xFD, RADDR_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x20),
FLEXSPI_LUT_SEQ(DUMMY_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x8, READ_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x04),
0,
0
};
// Adesto Octal DDR read
static const uint32_t s_adestoOctDdrRead[4] = {
FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR, FLEXSPI_8PAD, 0x0B, RADDR_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x20),
FLEXSPI_LUT_SEQ(DUMMY_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x8, READ_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x04),
0,
0
};
2.3 第一次FlexSPI初始化
第三步就是利用上述配置完成的初始FDCB塊對FlexSPI外設進行第一次初始化，就是下面程式碼，這個流程跟官方SDK裡的flexspi_nor_flash_init()大同小異，這裡不予具體展開。如果在這裡初始化就返回失敗（這裡一般不會失敗，因為僅僅是FlexSPI外設自身初始化，並不涉及操作外部Flash晶片的動作），BootROM則直接退出FlexSPI NOR裝置啟動，轉入SDP下載。
#define FLEXSPI_INSTANCE 0
uint32_t instance = FLEXSPI_INSTANCE;
status_t status = flexspi_init(instance, (flexspi_mem_config_t *)(&config));
if (status != kStatus_Success)
{
return status;
}
flexspi_update_lut(instance, 0, &config.memConfig.lookupTable, 1);
2.4 若干善後工作
上述第一次FlexSPI初始化一般都會成功的，但這並不代表fuse裡的flashType等配置跟板子上Flash型號是匹配的，也就是說初始FDCB配置塊此時還沒有被充分驗證其是否適用板載Flash型號。
FlexSPI第一次初始化結束後，為了保證後續能正常AHB訪問，BootROM裡做了一些善後工作，主要是兩件事：
- 做一些訪問前的延時：根絕fuse 0x450[3:2] - HOLD TIME來呼叫microseconds_delay()做延時，以使FlexSPI外設完全準備好。
- 做一次無效AHB訪問：類似這樣的程式碼 volatile uint32_t dummy = *(uint32_t *)0x60000000;，無效AHB讀可以使Flash退出continuous read模式
2.5 獲取使用者FDCB配置塊
善後工作結束之後，此時CPU應該可以通過AHB正常訪問Flash了，這個階段我們只需要從Flash的偏移0地址處讀取使用者FDCB，驗證使用者FDCB是否存在，這裡才是對前面初始FDCB配置塊以及第一次FlexSPI外設初始化的真正考驗。
驗證使用者FDCB是否存在就是簡單讀取FDCB的前四個位元組(tag)，驗證這個tag是否合法。如果第一次驗證tag不成功（有可能是FlexSPI配置不正確，也有可能是使用者FDCB不存在），會嘗試做一次三位元組地址切換到四位元組地址的LUT更新（僅適用QSPI Flash），然後做第二次tag讀取驗證，如果此時還是驗證失敗（大概率是不存在使用者FDCB了），BootROM則直接退出FlexSPI NOR裝置啟動，轉入SDP下載。
#define FlexSPI_AMBA_BASE (0x60000000U)
#define FLASH_BASE FlexSPI_AMBA_BASE
// 使用三位元組地址的LUT對Flash進行初次AHB訪問
flexspi_clear_cache(FLEXSPI_INSTANCE);
flexspi_nor_config_t *pConfig = (flexspi_nor_config_t *)FLASH_BASE;
if (pConfig->memConfig.tag != FLEXSPI_CFG_BLK_TAG)
{
// 因為拿不到使用者FDCB的tag，嘗試切換使用四位元組地址的LUT
if (flashType == 0)
{
flexspi_update_lut(FLEXSPI_INSTANCE, 0, s_basic4bRead, 1);
}
flexspi_clear_cache(FLEXSPI_INSTANCE);
pConfig = (flexspi_nor_config_t *)FLASH_BASE;
}
// 對Flash進行第二次AHB訪問，再次確認能否拿到使用者FDCB的tag
if (pConfig->memConfig.tag != FLEXSPI_CFG_BLK_TAG)
{
return kStatus_Fail;
}
上面程式碼裡有flexspi_clear_cache()操作，這個其實就是利用FLEXSPI0->MCR0[SWRESET]做一個外設級別的軟復位，另外程式碼裡還涉及到一個四位元組地址QSPI Flash的LUT表，即如下所示：
// Basic read with 32bit address
static const uint32_t s_basic4bRead[4] = {
FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x03, RADDR_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x20),
FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x04, STOP, FLEXSPI_1PAD, 0),
0,
0
};
2.6 第二次FlexSPI初始化
到了這裡，基本代表第一次FlexSPI初始化是正確且可用的，並且能夠拿到有效的使用者FDCB配置塊。這時候就是利用使用者FDCB配置塊對FlexSPI外設做第二次初始化，初始化程式碼流程跟第一次初始化是一模一樣的。
這個第二次初始化是非常有必要的，因為它反映了使用者的真實需求，使用者FDCB配置塊裡會準確描述板載Flash的全面特性（訪問速度，真實儲存空間大小，特殊定製LUT等等），這些資訊必須由使用者來提供。
需要注意的是，第二次FlexSPI初始化返回成功並不代表使用者FDCB配置塊一定就是正確的，還是那句話，這僅僅是對FlexSPI外設自身的初始化。後續常規App解析流程裡才是對這個使用者FDCB配置塊的真正考驗。
至此，深入i.MXRT1050系列ROM中序列NOR Flash啟動初始化流程痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~
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