前言：
本文是根据哔哩哔哩网站上“正点原子[第二期]Linux之ARM（MX6U）裸机篇”视频的学习笔记，在这里会记录下正点原子 I.MX6ULL 开发板的配套视频教程所作的实验和学习笔记内容。本文大量引用了正点原子教学视频和链接中的内容。
引用：
正点原子IMX6U仓库 (GuangzhouXingyi) - Gitee.com
《【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.5.2.pdf》第 8.1 章
《正点原子资料_A盘/02开发板原理图/IMX6ULL_MINI_V2.2(Mini底板原理图).pdf》
-
资料盘开发板资料链接： https://pan.baidu.com/s/1j5Jzbdx9i-g0cWIi3wf2XA 提取码：ag1u
正文：
本文是 “正点原子[第二期]Linux之ARM（MX6U）裸机篇--第6.5讲” 的读书笔记。第6.5讲 I.MX6U 芯片的启动方式。
0. I.MX6U 启动方式详解
I.MX6U 支持多种启动方式以及启动设备，比如可以从 SD/MMC，NAND Flash，QSPIFlash 等启动。用户可以根据实际情况，选择合适的启动设备。不同的启动方式，其启动方式和启动要求也不一样，比如上一张的从 SD 卡启动就需要在 bin 文件前面添加一个数据头，其它的启动设备也是需要这个数据头的。本章我们就来学习一下 I.MX6U 的启动方式，以及不同设备启动的要求。
1. 启动方式的选择
BOOT 的处理过程是发生在 I.MX6U 芯片上电以后，芯片会根据 BOOT_MODE[1:0] 的设备来选择 BOOT 方式。BOOT_MODE[1:0] 的值是可以改变的，有两种方式，一种是改写 eFUSE （熔丝），一种是修改相应的 GPIO 高低电平。第一种修改 eFUSE 的方式只能修改一次，后面就不能再修改了，所以我们不使用。我们用的是通过修改 BOOT_MODE[1:0] GPIO 对应的高低电平来选择启动方式，所有的开发板都使用的这种方式，I.MX6U 有一个 BOOT_MODE1 引脚和 BOOT_MODE0 引脚，这两个引脚对应 BOOT_MODE[1:0] 。I.MX6U -ALPHA/Mini 开发板的这两个引脚的电路原理图如下图所示：
其中 BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0 在芯片内部是有 100KΩ 下拉电阻的，所以默认是0。 BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0 这两个引脚我们也接到了底板上的拨码开关上，这样我们就可以通过拨码开关来控制 BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0 的高低电平。以 BOOT_MODE1 为例，当我们把 BOOT_CFG 的第一个开关拨到 “ON” 位置时，就相当于 BOOT_MODE1 引脚通过 R88 这个 10K 电阻接到了 3.3V 电源，芯片内部的 BOOT_MODE1 又是 100K 下拉电阻接地，因此 BOOT_MODE1 的电压就是 100(10+100)*3.3v=3V，这个就是高电平，因此 BOOT_CFG 的8个开关拨到“ON” 就是高电平，拨到“OFF”就是低电平。
而 I.MX6U 有四个 BOOT 模式，这四个 BOOT 模式由 BOOT_MODE[1:0] 来控制，也就是 BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0 这两个IO，BOOT 模式的配置如下表所示：
| BOOT_MODE[1:0] | BOOT类型 |
| 00 | 从 FUSE 启动 |
| 01 | 串行下载 |
| 10 | 内部BOOT模式 |
| 11 | 保留 |
在 表 9.1.1 中，我们只用到第二种和第三种BOOT方式。
1.1 串行下载
当 BOOT_MODE1 为0， BOOT_MODE0=1的时候使能此模式，串行下载的意思就是可以通过USB或UART将代码下载到板子上的外置存储设置中，我们可以使用 OTG1 这个 USB 口向开发板上的 SD/EMMC ，NAND 等存储设备下载代码。我们需要将 BOOT_MODE1 拨到 “OFF”，将 BOOT_MODE0 拨到“ON”。这个下载需要用到NXP提供的一个软件，一般用来最终量产的时候将代码烧写到外置的存储设备总的，我们后面讲解如何使用。
1.2 内部BOOT方式
当 BOOT_MODE1 为1， BOOT_MODE0=0的时候使能此模式，在此模式下，芯片会执行内部 bootROM 代码，这段 bootROM 代码会进行硬件初始化（一部分外设），然后从 boot 设备（也就是存放代码的设备，比如 SD/EMMC，NAND）中将代码拷贝复制到RAM中，一般是放在DDR中。
2. BOOT ROM 初始化内容
当我们设置 BOOT 模式为 “内部BOOT模式”以后，I.MX6U 的把内部 boot ROM 代码就是执行，这个 boot ROM 代码会做什么处理呢？首先肯定是初始化时钟，boot ROM 设置的系统是中国如下图所示：
在上图中 BT_FREQ 模式为0，可以看到，boot ROM 会将 I.MX6U 的内核时钟设置为 396MHz，也就是主频为 396MHz。System PLL=528Mhz，USB PLL=480MHz，AHB=132MHz，IPG=66MHz。关于I.MX6U的系统时钟，我们后面会详细讲解。
内部 boot ROM 为了加快执行速度回打开 MMU 和 Cache:
- 下载镜像的时候 L1 ICache 会打开，
- 验证镜像的时候 L1 DCache，L2 Cache 和 MMU 都会打开。
- 一旦镜像验证完成，boot ROM 就会关闭 L1 DCache，L2Cache 和 MMU
中断向量偏移会被设置到 boot ROM 的起始位置，当 boot ROM 启动了用户代码以后就可以重新设置中断向量偏移了。一般是重新设置到我们用户代码开始的地方，关于中断的内容后面会详细讲解。
3. 启动设备
当 BOO_MODE 设置为内部BOOT模式以后，可以从一下设备中启动：
- 接到 EIM 接口的 CS0 上的 16 位 NOR Flash。
- 接到 EIM 接口的 CS0 上的 OneNAND Flash。
- 接到 GPMI 接口上的 MLC/SLC NAND Flash，NAND Flash 页大小支持 2KByte, 4KByte 和 8Kbyte，8位宽。
- Quard SPI Flash
- 接到 USDHC 接口上的 SD/MMC/eSD/SDXC/eMMC等设备。
- SPI接口的 EEPROM
这些设备启动如何选择呢？ I.MX6U 同样提供了 eFUSE 和 GPIO 配置两种，eFUSE 就不讲解了。我们重点看如何通过 GPIO 来选择启动设备，因为所有的 I.MX6U 开发板都是通过 GPIO 来配置启动设备的。正如启动模式由 BOOT_MODE[1:0]来选择一样，启动设备是通过 BOOT_CFG1[7:0] ，BOOT_CFG2[7:0] 和 BOOT_CFG4[7:0] 这 24 个配置IO，这24个配置IO刚好对应着 LCD 的24根数据线 LCD_DATA0 ~ LCD_DATA23，当启动完成以后这个24个IO就可以额作为LCD的数据线使用。这24个数据线和 BOOT_MODE1, BOOT_MODE0 共同组成了 I.MX6U 的启动选择引脚，如图 9.3.1 所示：
通过 图 9.3.1 中的 26 个启动IO即可实现 I.MX6U 从不同设备启动，BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0 已经讲述过了。看到这24个 IO 是不是头大？调整这24个IO的高低电平得多复杂啊？起始不然，虽然有24个IO，但是实际需要调整的只有那几个IO，其它的IO全部下拉接地即可，也就是设置为0.打开 I.MX6U-ALPHA/Mini的开发板核心板电路原理图，这24个IO的默认配置如下图所示：
可以从"正点原子 I.MX6U ALPHA"开发板原理图中看出，"正点原子 I.MX6U ALPHA"开发板的 LCD_DATA0~LCD_DATA23 大部分 IO 都接地了，只有几个 IO 拉高，尤其是 BOOT_CFG4[7:0] 这8个IO都有 10 K 电阻下拉接地，所以我们压根就不需要去关心 BOOT_CFG4[7:0]。我们需要中断关注的只剩下了 BOOT_CFG2[7:0] 和 BOOT_CFG1[7:0] 这16个IO。这16个配置IO的含义在原理图的左侧已经贴出来了，如下图所示。
图 9.3.3 看着是不是也很头大，BOOT_CFG1[7:0]和BOOT_CFG2[7:0]这16个IO还能不嗯呢再减少哪？可以，打开 I.MX6U ALPHA/Mini 开发板的底板原理图，底板上设备选择拨码开关原理图如下：
在图 9.3.4 中，除了 BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0 必须印出来，LCD_DATA3~LC_DATA7，LCD_DATA11 这 6个IO也被印出来，可以通过拨码开关来设置其对应的高低电平，拨码开关到 “ON” 就是1，拨码开关到 “OFF” 就是0.齐总 LCD_DATA11 就是 BOOT_CFG2[3]，LCD_DATA3~LCD_DATA7 就是 BOOT_CFG1[3]~BOOT_CFG1[7]，这6个IO的配置的含义如下表：
| BOOT_CFG引脚 | 对应LCD引脚 | 含义 |
| BOOT_CFG2[3] | LCD_DATA11 | 为0时SDHC1上的SD/EMMC启动，为1时从SDH2上的SD/EMMC启动。 |
| BOOT_CFG1[3] | LCD_DATA3 | 当从SD/EMMC启动的时候设置启动速度，当从NAND启动的时候设置ANND数量。 |
| BOOT_CFG1[4] | LCD_DATA4 | BOOT_CFG1[7:4]: （高位在前，低位在后） 0001 QSPI启动 0011 SPI启动 010x SD/eSD/SDXC启动 011x MMC/eMMC启动 1xxx NAND Flash启动 |
| BOOT_CFG1[5] | LCD_DATA5 | |
| BOOT_CFG1[6] | LCD_DATA6 | |
| BOOT_CFG1[7] | LCD_DATA7 |
根据表 9.3.1 中 BOOT IO 含义，I.MX6U-ALPHA/Mini 开发板从SD卡，EMMC，NAND 启动的时候拨码开关各个位置配置方式如下表所示
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 启动设备 |
| 0 | 1 | x | x | x | x | x | x | 串行下载，可以通过USB烧写镜像文件 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | SD卡启动 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | EMMC启动 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | NAND FLAHS启动 |
我们再“第八章 汇编LED实验”中，最终的可执行问价 led.bin 烧写到了 SD 卡里面，然后从SD卡启动，其拨码开关就是根据表 9.3.1 来设置的，通过上面的讲解酒味道为什么拨码开关要这么设置了。
4. 镜像烧写
注意！本小节会分析 bin 文件添加的头部信息，但是在笔者写本教程的时候关于I.MX 系列的SOC头部信息的资料很少，基本智能参考NXP的官方资料，而官方资料有些地方讲解的又不是很详细。所以本节有些部分是笔者根据NXP的官方 u-boot.imx 文件的头部信息反推出来的，因此难免有错误的地方，还望大家谅解！如有发现错误之处，欢迎大家在 www.openedv.com 论坛
上留言。
前面我们设置好 BOOT 以后就能从指定的设备启动了，但是你的设备里面得有代码啊，在第八章我们使用 imxdownload 这个软件将 led.bin 烧写到 SD 卡中。imxdownload 会在 led.bin 前面添加一些头信息，重新生成一个叫做 load.imx 的文件，最终烧写的是 load.imx。那么肯能就有人问：imxdownload 是如何将 led.bin 打包成 load.imx的。
学习STM32的时候我们可以直接将编译生成的.bin文件烧写到STM32内部的Flash里面，但是 I.MX6U 不能直接烧写编译生成的 .bin文件，我们需要再.bin文件前面添加一些头信息构成满足 I.MX6U 需求的最终可烧写文件，I.MX6U的最终可烧写文件注册如下：
- Image vector rable，简称 IVT，IVT 里面包含了一系列地址信息，这些地址信息在ROM里按照固定的地址存放着。
- Boot data，启动数据，包含了镜像要拷贝到哪个地址，拷贝的大小是多少等等。
- Device configuration data，简称 DCD ，设别配置信息，重点是 DDR3 的初始化配置。
- 用户代码可执行文件，比如 led.bin
可以看出最终烧写到 I.MX6U 中的程序其组成为 IVT+Boot data + DCD + .bin 。所以第8章中的 imxdownload 所生成的 load.imx 就是在 led.bin 前面加上 IVT + Boot data + DCD 。内部 boot ROM 会将 load.imx 拷贝到DDR中，用户代码前面又有 3KByte的 IVT+Boot Data + DCD数据，下面会讲一下为什么是 3KByte，因此 load.imx 在DDR中的起始地址就是 0x8780_0000 - 3072 = 0x877F_F400。
正点原子的教程，我自己理解画的一个SD卡作为启动设备时，SD上烧录镜像的格式，如下图：
4.1 IVT 和 Boot Data 数据
load.imx 最前面就是 IVT 和 Boot Data ，IVT 包含了镜像程序的入口点，指向 DCD指针和一些用作其他用途的指针。内部 boot ROM 要求 IVT 应该放到指定的位置，不同的启动设备位置不同，而 IVT 在整个 load.imx 的最前面，起始就相当于要求 load.imx 在烧写的时候应该烧写到存储设备的指定为止去。整个位置都是相对于存储初设备的起始地址的偏移，如图 9.4.1 所示：
以 SD/EMMC 为例，IVT偏移为 1KByte，IVT+Boot Data+DCD总大小为4KByte - 1KByte = 3KByte。假设 SD/EMMC 每个扇区为 512 字节，那么 load.imx 应该从第三个山城区开始烧写，前两个扇区要流出来。load.imx 从第3KBbyte开始才是真正的 .bin 文件。那么 IVT 里究竟存放着什么东西呢？IVT里存放的内容如下表 9.4.1.2 所示
从 图 9.4.1.2 可以看到，第一个存放的是 head （头），header 的给是如 图 9.4.1.3 所示：
图9.4.3 中，Tag位1字节长度，固定为 0xD1，Length是两个字节，保存着IVT 长度，位大端格式，也就是高字节保存在低内存中。最有的Version是一个字节，为 0x40 或者 0x41。
Boot Data 的数据格式如图 9.4.1.3 所示
实际情况是不是这样的呢？我们用 winhex 打开 load.imx 一看便知，winhex 可以直接查看一个文件的二进制格式数据。用winhex打开 load.imx 如下图所示
图 9.1.4.1 是我们截取的 load.imx 的一部分内容，从地址 0x0000_0000 ~ 0x0000_025F，共608字节的数据。气门将钱44个字节按照4个字节一组组的组合在一起就是，0x402000D1, 0x8780000, 0x00000000, 0x877FF42C，0x877FF420，0x00000000，0x0000000，0x877FF000，0x00200000，0x00000000。这44个字节的内容就是 IVT和Boot Data的数据，按照图 9.4.1.2 和图 9.4.1.4 所示的 IVT 和 Boot Data 所示的格式对应起来如表 9.4.1.1 所示：
4.2 DCD 数据
复位以后，I.MX6U 片内所有寄存器就会复位为默认值，但是这些默认值往往不是我们想要的值，而且有些外设在我们必须在使用之前初始化它。为此 I.MX6U 提出了一个 DCD (device Config Data) 的概念，和 IVT ， Boot Data 一样，DCD也是添加到 load.imx 里面的，紧跟在 IVT 和 Boot Data 后面，IVT里面也指定了DCD的位置。DCD起始就是 I.MX6U 寄存器地址和对应配置的集合信息，boot ROM 会使用这些寄存器地址和配置集合来初始化相应的寄存器，比如开启某些外设时钟，初始化DDR等等。DCD去不不能超过 1768 Byte，DCD区域的结构如 9.4.2.1 所示
DCD 的 header 和 IVT 的 header 类似，结构如图 9.4.2.2 所示
中 Tag 是单字节，固定为 0XD2， Length 为两个字节，表示 DCD 区域的大小，包含 header，同样是大端模式， Version 是单字节，固定为 0X40 或者 0X41。
图 9.4.2.1 中的 CMD 就是要初始化的寄存器地址和相应的寄存器值， 结构如图 9.4.2.3 所示：
图 9.4.2.3 中 Tag 为一个字节，固定为 0XCC。 Length 是两个字节，包含写入的命令数据长度，包含 header，同样是大端模式。 Parameter 为一个字节，这个字节的每个位含义如图 9.4.2.4 所示
图 9.4.2.4 中的 bytes 表示是目标位置宽度，单位为 byte，可以选择 1、 2、和 4 字节。 flags 是命令控制标志位。
图 9.4.2.3 中的 Address 和 Vlalue/Mask 就是要初始化的寄存器地址和相应的寄存器值，注意采用的是大端模式！ DCD 结构就分析到这里，在分析 IVT 的时候我们就已经说过了， DCD 数据是从图 9.4.1.4 的 0X2C 地址开始的。根据我们分析的 DCD 结构可以得到 load.imx 的 DCD 数据如表 9.4.2.1 所示：
从 表 9.4.2.1 中可以看出，DCD 里面初始化配置主要包括三个方面
- 设置CCGR0~CCGR6这个7个外设时钟寄存器，默认打开所有外设时钟
- 配置DDR3所用的所有IO
- 设置MMDC控制器，初始化DDR3
I.MX6U的启动过程我们就讲解到这里，本章我们详细的讲解了 I.MX6U 的启动模式，启动设备类型，和镜像烧写过程。总结一下，我们编译出来的 .bin 文件不能拿直接烧写到SD卡中，需要再.bin文件前面加上 IVT, Boot DATA和DCD这三个数据块。这三个数据块是有指定格式的，播我们必须按照格式填写，然后将其放到.bin文件前面，最终和策划给你的才是我们可以直接烧写到SD卡中的文件。
