痞子衡嵌入式：利用i.MXRT1xxx系列ROM提供的FlexSPI driver API可轻松IAP

2021-10-15 19:51:57

　　大家好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家介绍的是i.MXRT系列ROM中的FlexSPI驱动API实现IAP。

　　痞子衡的技术交流群里经常有群友提问: i.MXRT中的FlexSPI驱动API到底怎么用啊？这个问题已经出现过好几次了，本来痞子衡不打算专门为这个写文章的，因为这部分内容在芯片手册System Boot章节里的最后一节ROM APIs里其实介绍得非常详细了，但是既然还是有不少朋友在问这个，看起来手册里的内容藏得有点深，这么好的东西被埋没太可惜了，那么今天痞子衡就跟大家再认真聊一聊。

一、ROM API简介

1.1、API产生背景

　　i.MXRT系列都是Flashless（没有内置NVM）的芯片，所以BootROM必不可少。BootROM是个很特殊的东西，本质上它是一个完整的C代码写成的系统级App，这个系统级App专门用于从外部存储器中加载用户级App执行。简单地说，BootROM就是PC机里的BIOS。

　　BootROM代码是存放在专门的ROM区域的（前面讲i.MXRT系列没有内置NVM，其实不够准确，其实是有内部ROM空间的，只不过这个ROM区域用户无法下载程序使用，因此等效于没有NVM），ROM顾名思义Readonly，所以BootROM代码只能随着芯片一起Tapeout，代码无法更改（其实也有ROM patch机制，以后再介绍）。

　　ROM空间其实挺大的，从64KB到512KB不等，因芯片启动功能复杂程度而异。下图是i.MXRT1050系列的BootROM所占空间，ROM起始地址是0x200000（起始地址在i.MXRT上都一样），ROM大小为96KB（这是标准启动功能所要的代码长度。在i.MXRT1010上是64KB - 精简启动功能，在i.MXRT1170上是256KB - 复杂启动功能）。

　　BootROM代码其实并没有占满全部ROM空间，总有些剩余空间（因为工艺原因，ROM空间都是8/16KB倍数），这部分空间浪费了着实可惜。如果我们能把SDK里的一些常用模块驱动（比如WDOG）顺便放进去供用户调用，既充分利用ROM空间，也为用户节省Flash空间，岂不是一举两得。此外，BootROM功能代码中也有一些现成模块驱动（比如各种启动设备存储器驱动接口）可以一并导出，这便是API由来。

1.2、API设计实现

　　有了API想法，现在就是设计实现了。其实i.MXRT ROM API设计并不是重头开始的，在这个MCU系列被主推之前，Kinetis系列也曾当红过，Kinetis中也内置了ROM，并且提供了ROM API，痞子衡之前为此写过一篇文章《飞思卡尔Kinetis系列MCU启动那些事（11）- KBOOT特性(ROM API)》。 i.MXRT ROM API设计思路完全复用了Kinetis ROM API的设计。

　　API说到底就是一个个功能函数的结合，我们知道工程代码都是由链接器自动分配的，因此每个函数实际链接地址是无法预期的（在链接文件里给每个函数分配固定地址链接这种方法不在考虑范畴，当函数数量众多时，这种方法太麻烦），业界上一个比较通用的做法是定义成员是函数指针的结构体，i.MXRT ROM API就是采用的业界通用方式，下面bootloader_api_entry_t便是i.MXRT1060中API原型，g_bootloaderTree就是实例：

typedef struct
{
    const uint32_t version;
    const char *copyright;
    void (*runBootloader)(void *arg);
    const hab_rvt_t *habDriver;

    //!< FlexSPI NOR Flash API
    const flexspi_nor_driver_interface_t *flexSpiNorDriver;

    const nand_ecc_driver_interface_t *nandEccDriver;
    const clock_driver_interface_t *clockDriver;
    const rtwdog_driver_interface_t *rtwdogDriver;
    const wdog_driver_interface_t *wdogDriver;
    const stdlib_driver_interface_t *stdlibDriver;
} bootloader_api_entry_t;

// Bootloader API Tree
const bootloader_api_entry_t g_bootloaderTree = {
    .copyright = "Copyright 2018 NXP",
    .version = MAKE_VERSION(1, 0, 0),
    .runBootloader = run_bootloader,
    .habDriver = &hab_rvt,

    .flexSpiNorDriver = &g_flexspiNorDriverInterface,

    .nandEccDriver = &g_nandEccDriverInterface,
    .clockDriver = &g_clockDriverInterface,
    .rtwdogDriver = &g_rtwdogDriverInterface,
    .wdogDriver = &g_wdogDriverInterface,
    .stdlibDriver = &g_stdlibDriverInterface,
};

　　从上面代码我们可以看出，bootloader_api_entry_t成员好像并不是函数指针，是的，为了分组方便，bootloader_api_entry_t成员还是一个个结构体，它的这些结构体成员（比如flexspi_nor_driver_interface_t）才是真正包含一个个函数指针的结构体。API从功能来分一共提供了7类：HAB、FlexSPI NOR、NAND ECC、Clock、RT-WDOG、WDOG、stdlib。

　　设计到这里，我们通过g_bootloaderTree结构体常量就可以调用所有的API函数了，最后剩下的问题就是如何在ROM里找一个确定的地方保存随机链接的g_bootloaderTree地址（只要4字节即可）。是的，还是Kinetis ROM API用的那个巧妙的方法，下面是BootROM工程的startup文件（Keil版），BootROM将g_bootloaderTree的地址放到了中断向量表第8个向量的位置处（该向量为ARM Cortex-M未定义的系统向量），因此0x20001c处开始的4bytes便固定是g_bootloaderTree地址。

                PRESERVE8
                THUMB

; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset

                AREA    RESET, DATA, READONLY
                EXPORT  __Vectors
                EXPORT  __Vectors_End
                EXPORT  __Vectors_Size
                IMPORT  |Image$$ARM_LIB_STACK$$ZI$$Limit|
                IMPORT  g_bootloaderTree

__Vectors       DCD     |Image$$ARM_LIB_STACK$$ZI$$Limit|
                DCD     Reset_Handler
                DCD     DefaultISR
                DCD     HardFault_Handler
                DCD     DefaultISR
                DCD     DefaultISR
                DCD     DefaultISR
                DCD     g_bootloaderTree
                DCD     0
                DCD     0
                DCD     0
                DCD     SVC_Handler
                DCD     DefaultISR
                DCD     0
                DCD     DefaultISR
                DCD     DefaultISR
		        ;; ...

1.3、API调用方法

　　了解了前面介绍的ROM API产生背景与设计实现，它的调用方法就非常简单了，以WDOG API调用为例，只需要如下简单3句代码：

// 找到API根结构体
#define g_bootloaderTree (*(bootloader_api_entry_t **)0x0020001c)
// 定义WDOG模块配置变量
wdog_config_t config;
// 调用API中WDOG_Init()
g_bootloaderTree->wdogDriver->WDOG_Init(WDOG1, config);

1.4、支持API的i.MXRT型号

　　截止目前，i.MXRT1xxx系列一共出了7款型号，但并不是每个型号都开放了ROM API，最早诞生的三款型号（105x、1021、1015）就并没有开放API（不是没有API，而是没有严格测试），其余型号都支持API。

RT芯片型号	是否支持ROM API
i.MXRT117x	支持
i.MXRT1064	支持
i.MXRT106x	支持
i.MXRT105x	未开放
i.MXRT1021	未开放
i.MXRT1015	未开放
i.MXRT1011	支持

二、API之FlexSPI驱动

　　前面铺垫了太多ROM API设计细节，到这里才算进入正题，本文其实主要是要跟大家聊如何利用API里的FlexSPI NOR驱动实现IAP。痞子衡在前面铺垫那么多的原因其实主要是想告诉大家，API里的每个驱动都是经过完善测试的，尤其是这个FlexSPI NOR驱动，更是经过了千锤百炼，无论是易用性、运行稳定性还是Flash型号的支持度上都是首屈一指的。

　　对于JESD216标准下的串行SPI接口Flash驱动，大家知道更多的可能是RT-Thread技术总监朱天龙大神的开源 SFUD 项目，但痞子衡告诉你，i.MXRT ROM API里的这个串行Flash驱动也毫不逊色（持续维护与优化了近6年，历经多款MCU的ROM，是真正的产品级），只是不如开源项目那么知名，不过它的源代码也是开源在SDK里的(\SDK\middleware\mcu-boot\src\drivers\flexspi_nor)，BSD-3-Clause许可证。

2.1 FlexSPI驱动原型

　　flexspi_nor_driver_interface_t便是FlexSPI NOR驱动的原型，寻常的读写擦功能自然不在话下，除此以外，API里面还有一个非常厉害的xfer()函数，这个函数可以用来实现其他定制化的Flash操作函数，有兴趣的朋友可以进一步去研究。

typedef struct
{
    uint32_t version;
    status_t (*init)(uint32_t instance, flexspi_nor_config_t *config);
    status_t (*program)(uint32_t instance, flexspi_nor_config_t *config, uint32_t dst_addr, const uint32_t *src);
    status_t (*erase_all)(uint32_t instance, flexspi_nor_config_t *config);
    status_t (*erase)(uint32_t instance, flexspi_nor_config_t *config, uint32_t start, uint32_t lengthInBytes);
    status_t (*read)(uint32_t instance, flexspi_nor_config_t *config, uint32_t *dst, uint32_t addr, uint32_t lengthInBytes);
    void (*clear_cache)(uint32_t instance);
    status_t (*xfer)(uint32_t instance, flexspi_xfer_t *xfer);
    status_t (*update_lut)(uint32_t instance, uint32_t seqIndex, const uint32_t *lutBase, uint32_t seqNumber);
    status_t (*get_config)(uint32_t instance, flexspi_nor_config_t *config, serial_nor_config_option_t *option);
} flexspi_nor_driver_interface_t;

2.2 FlexSPI驱动使用示例

　　FlexSPI驱动使用基本三步走，先调用get_config()获取完整FlexSPI模块配置，然后调用init()函数去初始化FlexSPI以及访问Flash获取SFDP表信息，最后就是调用Flash操作函数（比如erase()）。

// 找到API根结构体
#define g_bootloaderTree (*(bootloader_api_entry_t **)0x0020001c)

// 定义FlexSPI, Flash配置变量
flexspi_nor_config_t config;
serial_nor_config_option_t option;
option.option0.U = 0xC0000008; // QuadSPI NOR, Frequency: 133MHz
uint32_t instance = 0;

// 调用API中get_config()函数
g_bootloaderTree->flexSpiNorDriver->get_config(instance, &config, &option);
// 调用API中init()函数
g_bootloaderTree->flexSpiNorDriver->init(instance, &config);
// 调用API中erase()函数
g_bootloaderTree->flexSpiNorDriver->erase(instance, &config, 0x40000, 0x1000);

2.3 FlexSPI驱动特点

　　因为FlexSPI NOR驱动API来自于BootROM，因此其在使用上有一些小小的限制，也算是其特点吧。FlexSPI驱动API里并没有提供Flash连接的Pinmux配置，其Pinmux配置已经写死在init()函数中，就是ROM支持启动的FlexSPI PORTA上的那些pin（片选是SS0）。

　　在上面的使用示例代码中，你会看到option.option0.U = 0xC0000008代码，这算是FlexSPI驱动最大的特点了，这是一个简化的option配置word（其原型可在芯片手册里找到），通过这个简化的option，用户可以轻松配置来访问不同厂商的Flash，下面是常用的Flash模式配置值。

? QuadSPI NOR - Quad SDR Read: option0 = 0xc0000008 (133MHz)
? QuadSPI NOR - Quad DDR Read: option0 = 0xc0100003 (60MHz)
? HyperFLASH 1V8: option0 = 0xc0233009 (166MHz)
? HyperFLASH 3V0: option0 = 0xc0333006 (100MHz)
? MXIC OPI DDR (OPI DDR enabled by default): option=0xc0433008(133MHz)
? Micron Octal DDR: option0=0xc0600006 (100MHz)
? Micron OPI DDR: option0=0xc0603008 (133MHz), SPI->OPI DDR
? Micron OPI DDR (DDR read enabled by default): option0 = 0xc0633008 (133MHz)
? Adesto OPI DDR: option0=0xc0803008(133MHz)

2.4 FlexSPI驱动用作IAP

　　IAP其实就是在App中实现Flash擦写，单纯从技术上来说并不是一个很难的东西。但i.MXRT上很多时候App代码本身也在同一片Flash里执行（也叫XIP），而市面上很多Flash都是不支持RWW（Read-While-Write）的，这就导致一个问题，当你调用Flash操作函数去擦写Flash时，CPU又需要继续去Flash获取指令，违反了RWW，因此你只能把Flash相关操作函数全部放在RAM中去执行（这涉及分散加载了，对于初级嵌入式用户来说稍微有点难）。

　　现在我们有了ROM API，FlexSPI驱动代码体全部都在ROM空间里，并不占用Flash空间，因此不存在RWW问题，真是天然为IAP而生，再也不用再管什么分散加载这么麻烦的事了。

三、FlexSPI API业界应用

　　最后再介绍一下i.MXRT FlexSPI API在业界的应用，这个API其实并不小众，目前已被主流IDE和调试工具用作i.MXRT Flash下载算法。

3.1 用于IAR下载算法

　　如果你的IAR版本够新，能够支持i.MXRT1060等型号，随便打开一个i.MXRT1060 SDK工程，在工程Option里找到Debugger，然后进入Flashloader配置，你会看到页面里有Extra parameters一栏，在下面的解释里有这个参数的示例，它就是前面2.3节里介绍的option0。有了这种方式设计的Flash下载算法，你再也不用手动更新下载算法文件去支持不同的Flash了，改参数就行了。

3.2 用于J-Link下载算法

　　目前最新的Jlink驱动里的下载算法也是基于ROM API的，痞子衡有一个开源项目，收集了i.MXRT所有型号的下载算法源代码工程，其中jlink算法是最全的，其他IDE算法还在陆续完善中。

https://github.com/JayHeng/imxrt-tool-flash-algo

　　至此，i.MXRT系列ROM中的FlexSPI驱动API实现IAP痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~

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