I.MX RT1170启动详解：Boot配置、Bootable image头的组成_boot from fuse

1 基础知识

（1）BootROM
BootROM(ROM Bootloader)是芯片在出厂前固化在ROM里的一段Bootloader程序。每次上电的时候都将执行里面的代码，它完成了对于特定引脚上的FlexSPI、SEMC和SDHC接口的初始化，并从这些接口连接到的Flash和RAM中引导程序启动。
当然，对于BootROM来说，它还可以通过IVT中相关字段的配置完成程序的加密和解密等操作，这个将在后续介绍。
（2）Flashloader
Flashloader是一个RT1170的工程。对于BootROM来说，它主要是完成对于程序的启动功能。而对于Flashloader来说，它实现了一些Flash的擦除和烧写函数，当然还有基于熔丝的读取和烧录、加解密等功能。这些功能之所以没有在BootROM中实现，我想大概率是基于成本考虑而决定的。

• 用户可以通过USB1或LPUART1与BootROM和Flashloaer进行通信

（3）eFuse
eFUSE是I.MXRT1170内嵌的一块OTP(One time Programmable) memory，初始状态下所有bit均为0，仅能被烧写1次。RT1176的eFUSE有8Kbit，分为32个Bank，每个Bank有8个word(1个word为4字节)，即32字节。下图0~0x8F为eFUSE的bank word索引地址(index地址)。

这里不详细对eFuse进行介绍，简单地说一下：

• eFuse中部分位的定义在参考手册26.2 Boot Fusemap中有介绍，对于所有位的介绍，比如加密启动的一些字段，需要参考Secure Reference Manual，这个手册需要找FAE要，自己是下载不了的。
• eFuse除了有OTP特性外，还有Lock特性，它包含三层：写保护、覆盖保护和访问保护
• eFuse空间有两类：一类受冗余保护(牺牲一半的空间保存数据的备份以防止数据损坏)，一类受ECC保护(可纠正损坏位)
• eFuse空间的读写由RT1170中的OCOTP控制器来实现，如果想要修改eFuse，用户可以参考SDK中OCOTP相关代码自己来实现。也可以通过集成了eFuse烧写的工具：blhost、sdphost或MCUBootUtility(通过Flashloader)来修改。

（4）从外部存储器启动

（1）NOR Flash：可以XIP执行，但也需要BootROM引导完成Nor的初始化及XIP相关配置

（2）Nand Flash：无法XIP执行，由BootROM从Nand拷贝代码到RAM中执行

（3）SDRAM与SRAM：SRAM挂在系统BUS上，无需初始化；而SDRAM挂载存SEMC控制器上，需要初始化。在BootROM中，可以通过DCD字段对SDRAM进行初始化。

2 BOOT配置

2.1 BOOT_CFG配置

前面我们知道，BootROM可以帮助我们从外部存储器中启动程序。但是BootROM需要知道一些信息：启动设备连接在从哪个FlexSPI接口，这个接口上接的是Nand还是NOR或者是EMMC等设备，还有是否需要加密启动等信息。这些信息就BOOT_CFG引脚来告诉BootROM，这些引脚在硬件上也是固定的，如下图所示。

• 引脚的具体含义，参考手册10.6 Boot Device章节。对于不同的外部存储器，引脚的定义都不相同。这个章节对于BOOT_CFG的介绍实际是eFuse BOOT_CFG相关位的定义，但这和GPIO BOOT_CFG的定义是相同的。这是因为eFuse中有和GPIO的BOOT_CFG相同的定义的位，在eFuse中的BT_FUSE_SEL位置1时，将使用eFuse中的BOOT_CFG配置。

2.2 BOOT_MODE

对于I.MXRT1XXX系列单片机来说，上电永远是从BootROM开始启动，而用户可以通过BOOT_MODE[1:0]决定BootROM程序的不同行为模式。这两个字段由硬件进行配置，它们所对应的引脚是固定的：

总共有四种不同的启动方式，如下图所示：

1、Boot From Fuses模式
在这个模式下，将根据Fuse里的Boot配置来决定从哪个外部存储器Boot，如下图所示。

由上图可以看出：

2、Serial Downlaoder模式
在此模式下，用户可以与参考手册中指定引脚连接的UART或USB与BootROM进行通信，从而接收程序并在SRAM中运行。该模式主要用来从SRAM中启动Flashloader，用户可以将Flashloader程序烧录，然后与Flashloader进行通信，通过Flashloader里面的函数来对Flash、eFuse等内容进行修改。

• Serial Downloader模式的通讯遵从一定的协议，NXP官方提供了几个相关的工具可用于此通信：sdphost.exe、mfgtool和MCUBootUtility

3、Internal Boot模式(Serial NOR/NAND、Parallel NOR/NAND、SD/eMMC、1bit Recovery SPI NOR)
该模式支持从串行/并行的NOR/NAND Flash、SDCard、EMMC和带1位恢复位的Recovery SPI NOR中启动，这是最常使用的一种启动模式。
在这个模式下，也会参考eFuse中的BT_FUSE_SEL位来使用不同的配置：
①BT_FUSE_SEL=0：BootROM将使用BOOT_CFG[x:0] pins 的配置
②BT_FUSE_SEL=1：BootROM将使用Fuse中的配置

• 我们可以在确定了启动设备后，将BT_FUSE_SEL烧录为1，然后将GPIO已经测试过没有问题的BOOT_CFG位烧录到eFuse中对应的BOOT_CFG位中，这样启动设备就不可能被硬件上更改了。
• 如果Internal Boot失败，比如用户的BOOT_CFG配置有错，系统将进入Serial Downlaoder模式。

3 Bootable image

前面BootROM帮我们初始化了外部的存储器，可以从里面获取到我们写的程序。但是程序的大小是多少、需要链接到哪里运行呢？这就需要我们在生成的程序最前面加一个头来让BootROM知道这些信息，从而完成程序的拷贝和跳转。

3.1 文件格式

对于不同的IDE来说，编译后生成的程序的文件格式都不太一样，常见的有以下几种：

• AXF：用于基于ARM的微控制器。它包含可执行代码、数据和调试信息。AXF文件通常在开发和调试过程中使用
• HEX：由十六进制数及其对应的内存地址组成，可以将程序解析和编程到目标设备的内存中
• S19：以特定格式的ASCII字符表示二进制数据。S19文件包含数据和内存地址，常用于编程旧的微控制器和EEPROM
• ELF：包含可执行代码、数据和其他加载和执行程序所需的信息，可用于调试、分析和部署到目标设备
• SREC：类似于S19的文件格式。它以ASCII字符表示二进制数据，但遵循不同的格式
• BIN：BIN文件是直接包含可执行机器代码的二进制文件。它们通常用于以原始二进制格式存储最终编译的代码。

不管什么格式，都是为不同下载器或者调试而服务的，经过解析后下载进MCU内部FLASH的数据还是bin格式。

3.2 Bootable image头的组成

以下偏移均以NOR Flash为例，对于Nand Flash来说，有略微的不同，但大致相同。
1、FCB(FlexSPI Configuration Block)：偏移0x400
可选，用于Serial/Parallel NOR FLASH。其数据结构随着Flash的接口的不同而不同，用来存储FLASH的特性参数。因为BootROM需要兼容不同的Flash，所以BootROM上电会使用比较通用的、低速的配置来初始化FLASH。那如果我们希望Flash能工作在更高的频率下，就可以通过此字段保存配置信息，BootROM会根据此字段重新配置Flash。

• 实际上0x0处和0x800处还有关于加密启动的相关字段，这里没有使用加密，故忽略这些字段。参考我的这篇文章：I.MX RT1170加密启动详解（1）：Encrypted Boot image组成

2、IVT(Image Vector Table)：偏移0x1000
必选的与FLASH无关的structure，IVT中记录了Application、DCD、BD、CSF的位置信息，与BootROM加载启动有关。IVT大小固定为32byte，数据结构如下：

typedef struct _ivt_
{
    uint32_t hdr;
    uint32_t entry;
    uint32_t reserved1;
    uint32_t dcd;
    uint32_t boot_data;
    uint32_t self;
    uint32_t csf;
    uint32_t reserved2;
} ivt;
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具体每个字段的含义后面实例分析时会解释，有实例也更好理解。
3、BD(Boot Data)：偏移0x1020

必选的与FLASH无关的structure，BD中记录了Bootable image的起始地址与总长度，其大小固定为16byte，数据结构如下：

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;
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4、DCD(Device Configuration Data)

可选的用于初始化SEMC接口的配置信息，主要用于SDRAM的初始化，它由寄存器地址和数据对组成，有三种指令类型：写指令、检查指令和空指令。可以在MCUXPresso IDE中配置DCD字段：

• 可以看到是可以初始化任意寄存器的值的，所以还可以用来初始化HyperRAM
• Bootable image中还有一个XMCD字段可以用来对HyperRAM进行初始化，具体参考reference manual

5、Application Binary：偏移0x2000
即用户编译出的程序，偏移位置固定为0x2000。
6、CSF(Command Sequence File)
主要用于安全启动的认证相关特性。
7、KeyBlob
主要用于安全启动的加密相关特性。

• 对于安全启动加密相关内容，将在后续博客中介绍

3.3 Bootable image的生成

（1）IDE：MCUXPresso IDE、IAR、Keil
通过在链接脚本中声明IVT、Boot Data和DCD等段，然后在C文件中声明其数据结构对应的结构体，再用attribute关键字将对应结构体变量链接到指定段中。

• 注意需要打开一些宏定义，如使用DCD，则需要声明XIP_BOOT_HEADER_ENABLE = 1

（2）elftosb.exe
elftosb.exe是NXP提供的一个软件，可以用来生成Bootable image，当然还有一些其它的功能，比如生成可以与Flashloader能识别的指定协议的镜像文件，可以实现修改eFuse、烧录Flash、AES固件加密等功能。
对于生成Bootable image，其命令格式固定如下：

elftosb.exe -f imx -V -c config_application.bd -o ivt_application.bin application.out
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• ivt_application.bin：最终生成的Bootable image

• application.out：编译链接生成的ELF文件

• config_application.bd：用户配置文件

.bd指示elftosb如何在binary基础上添加IVT、BD等其他信息数据从而形成Bootable image，在Flashloader目录下给了很多bd文件示例，只需在某一个bd文件基础上修改即可
（3）MCUBootUtility
自动检测有没有IVT、BD头，没有的话将根据镜像文件自动填充该字段。

3.4 例：BootROM之non-XIP加载过程

假设程序保存在Nand Flash，然后要在ITCM(0x00000000~0x20000000)运行，下图显示了BootROM加载image的四个阶段：
(1)Bootable image存储在Nand Flash中
(2)BootROM从Nand Flash读取Bootable image前4KB(包含IVT和BD)数据到OCRAM(0x20240000~0x202C0000)
(3)为了避免重复读取，BootROM会把读取的4KB数据先复制到ITCM
(4)BootROM根据IVT和BD的字段，获得程序的偏移和大小，将剩下的image从Nand Flash中读到ITCM中

3.5 例：bin文件分析

以NOR Flash，程序XIP执行为例，对SDK中的evkmimxrt1170_freertos_hello_cm7编译生成的bin文件进行分析：
1、FCB(FlexSPI Configuration Block)：偏移0x400
可选的，格式参考手册10.6.3 Serial NOR and NAND Configuration based on FlexSPI Interface，主要是Flash一些参数的声明、时钟频率的初始化还有保存Flash读写时序的FlexSPI LUT(Look Up Table)

2、IVT(Image Vector Table)：偏移0x1000

其中TAG为d1，IVT Length为0x0020(这个字段为大端表示)，version为0x41，entrypoint Address为0x300024e9(Reset_ISR的地址)，DCD的绝对地址为0x30001030，Boot Data链接地址为0x30001020，IVT链接地址为0x30001000

3、BD(Boot Data)：偏移0x1020

其中镜像的绝对起始地址为0x30000000，程序镜像的大小为0x1000000(实际保存的是Flash的大小)。
4、DCD：偏移0x1030

前面在IVT中指定了DCD的地址为0x30001030(绝对地址)，BootROM就会从这个地址读取DCD。其中Tag为0xd2；整个DCD的长度为0x4b8(这个大小为大端存储)，即结束地址为0x14E8；版本为0x41。也就是说从0x1040~0x14E8就是DCD配置字段。

• 前面有提到，XMCD可以用来hyperRAM，实际上是将其FlexSPI配置块FCB填充到0x1040处，也就是说BootROM不能同时初始化DCD和XMCD字段。