2021-04-27_芯片冷启动

微处理器冷启动方式

概述

MPU（Micro Processing Unit，微处理器）和MCU（Micro ControlUnit，微控制器）芯片的启动可以分为冷启动和热启动。

冷启动也称上电启动，一般是接通电源后芯片的第一次启动。冷启动时，系统的易失存储（片上RAM、片上寄存器，片外DDR，片外RAM等等）处于不确定状态。启动需要完成加电、自检、硬件初始化等操作。

热启动是指处理器芯片在运行过程中重新启动系统，可以是一次有准备的软件复位，也有可能是系统保护机制触发的预料外的热启动操作）。如果是有准备的软件复位，关键的易失性存储可能已经完成初始化。

本文档主要关注MPU/MCU类芯片的冷启动方式。

冷启动类型

MCU/MPU类产品由于应用场景多样化，因此通常需要提供多种启动方式供用户选择。不同产品供用户选择启动方式的方法是不同的，本文档将启动选择方式分为三类：类型I是硬件冷启动，硬件通过启动管脚的配置，从不同的启动区域/介质开始执行程序，开始启动过程；类型II是软件冷启动，芯片固定从内部存储rom区域启动，软件通过管脚选择，执行不同的启动分支程序，由启动分支区分启动介质等；类型III是混合型冷启动，这是以上两类的混合型，即硬件通过启动管脚配置从内部存储rom区域启动，然后再通过相关管脚配置，软件执行不同的启动分支程序。

以上启动类型对于特定产品可以是变化的。例如出于代码安全因素或者方便应用内编程等因素，通常支持类型III启动的产品，可以通过OTP的配置，转化为固定介质启动或类型I或类型II的启动方式。

类型I启动选择

飞腾/FT-2000A/2

FT-2000A/2是飞腾公司的双核高性能嵌入式微处理器产品，兼容64位ARM V8指令系统，主频达到1GHz，片上存储包括32K字节的一级指令Cache，32K字节的一级数据Cache，1M字节的二级Cache。

由于没有合适的片上存储存放启动代码，FT-2000A/2采用类型I启动选择，支持SPI和LBC两种启动方式，通过spi_lbc_select管脚进行选择。

1. spi_lbc_select管脚为0时，从spi启动
2. spi_lbc_select管脚为1时，从lbc启动（lbc：局部总线接口，支持EPROM，flash EPROM，可突发RAM和其他外部设备等。地址和数据线复用）

Loongson/LS2K1000

LS2K1000是龙芯中科公司的双核高性能嵌入式微处理器产品，采用40nm工艺，片内集成2个GS264核，与MIPS64体系结构兼容，主频1GHz，64位DDR3控制器。，片上存储包括32K字节的一级指令Cache，32K字节的一级数据Cache，共享1M字节的二级Cache。

LS2K1000采用类型I启动选择，支持LIO/SPI/SDIO/NAND四种启动方式，通过SYS_BOOTSEL[1:0]管脚进行选择。

1. SYS_BOOTSEL=00时，从LIO启动（LIO: LocalIO,提供简单外设访问接口，主要用于连接系统启动ROM。）
2. SYS_BOOTSEL=00时，从SPI启动。
3. SYS_BOOTSEL=00时，从SDIO启动。
4. SYS_BOOTSEL=00时，从NAND启动。

Loongson/LS2H

LS2H是龙芯中科公司的单核安全适用领域微处理器产品，采用65nm工艺，片内集成1个GS464核，主频1GHz，64位DDR2/3控制器。，片上存储包括64K字节的一级指令Cache，64K字节的一级数据Cache，共享512K字节的二级Cache。

LS2H采用类型I启动选择，支持LPC/SPI/NAND三种启动方式，通过NAND_WR/SPI_SCK/SPI_CSn管脚进行选择。

1. NAND_WR=1时，从NAND启动。
2. {SPI_SCK,SPI_CSn}=00时，从NAND启动。
3. {SPI_SCK,SPI_CSn}=10时，从LPC启动。
4. {SPI_SCK,SPI_CSn}=x0时，从SPI启动。

类型II冷启动

Samsung/S5PC110

S5PC110是三星公司的2010年左右的32位微处理器，针对移动电话和通用领域，内建Cortex-A8处理器，支持ARM V7-A结构，32/32K字节I/D 一级cache，512K字节二级cache，主频1GHz。内建64K字节iROM，96K字节iRAM。芯片启动时，会从片内ROM区域的irom代码开始执行，然后irom会从如下设备中选择启动

1. NAND flash
2. SD/MMC
3. eMMC
4. eSSD memory
5. UART或者USB设备
6. OneNAND(三星的存储技术)
7. UART
8. USB

S5PC110的iROM程序通过内部熔丝（efuse）决定采用安全启动或者正常启动。

下图为S5PC110的bootloader和OS的启动过程示意

下图为S5PC110的boot code的流程图。

ST/STM32MP157A

ST产品主要以MCU为主，最近几年开始推出MPU产品。现在MPU全系列产品包括的STM32MP151x/153x/157x若干产品。均采用类型II的启动选择方式。以STM32MP157A为例，该产品内建双核32bit的ARM Cortex-A7处理器，32K/32K字节的I/D一级cache，共享256K字节的二级cache。内部集成128K字节安全启动ROM，708K字节内部RAM。芯片启动时，会从片内ROM区域的代码开始执行，然后结合OTP、内部寄存器和外部管脚状态等因素，从如下设备中选择启动：

 

 

从内部的ROM开始，ROM的代码启动过程

 

 

TI/AM437x启动

TI公司的AM437X微处理器采用32位Cortex-A9处理器核，主频1GHz。MPU子系统集成32K字节数据cache和指令cache；256K字节二级cache（也可配置成三级RAM）；256K字节片上Boot ROM；64K字节片上RAM。

启动模式在上电reset期间，锁存住启动管脚的值，作为配置信号。启动管脚SYSBOOT[17:0]中包括8位的BOOTMODE，用来选择启动介质和10位的MCU_BOOTMODE，用来选择启动的时钟频率和备选启动设备。

1. Bootrom
2. QSPI

类型III冷启动

ST/STM32F373xx

ST公司的STM32F373XX是一款MCU产品，使用Coretex-M4处理器核，主频72MHz，CoreMark分数245分，片上集成64KB~256KB的用户flash存储，16KB~32KB的SRAM，和一段系统存储（sytem memory）区域。

启动时，通过BOOT0管脚和BOOT1选择以下三种启动设备启动。

1. 片上flash的User Flash部分，这种模式是芯片正常工作的时候使用的启动模式。
2. 系统存储，该部分预设了boot loader，可以从USART1，USART2，USB通过DFU（device firmware upgrade）功能升级用户固件。第二种模式可以在升级系统固件的时候使用。由于操作繁琐，需要改变boot管脚的值，并且需要硬重启，所以并不是经常使用。还有一种场景是用户下载错了user flash，系统变砖了，可以通过该模式重写user flash。不同的MCU中bootloader功能不尽相同，有些还可以支持从I2C，SPI等接口升级用户固件。
3. 片上SRAM，这种模式一般在软件开发调试阶段使用，可以避免反复擦写flash。

这种启动方式是ST公司中低端MCU中最常用的启动方式。常见的STM32F1xx，STM32F3XX均采用这种启动方式。

ST/STM32F779XX

片上16K数据cache，16K指令cache，最大2MB的片上用户flash存储，512K字节的SRAM（包括128K字节DTCM+16K字节ITCM+4K字节低功耗备份RAM），灵活的外部存储（包括SRAM，PSRAM，SDRAM，NOR，NAND等）控制和一段系统存储（sytem memory）区域。

启动时，通过BOOT管脚和BOOT_ADDX寄存器选择，可以指定系统的入口地址。包括

1. ITCM或者内部片上flash，或者外部接口上的FLASH地址
2. 系统存储，该部分预设了boot loader，功能类似上述章节。
3. RAM地址（ITCM，DTCM，片上RAM或者外部接口上的SRAM等）

F779的启动方式比较更灵活，只需一个boot引脚。但是一个引脚只能区分出两个状态，为了解决这个问题，专门配套了两个option bytes选项字节配置，如此以来就可以方便设置各种存储器地址了。

BOOT_ADD0和BOOT_ADD1对应32位地址的高16位。设置了选项字节后，掉电不会丢失，下次上电或者复位后，会根据BOOT引脚状态从BOOT_ADD0，或BOOT_ADD1所设置的地址进行启动。

如果用户不慎，设置的地址范围不在有效的存储器地址，那么BOOT = 0时，会从Flash首地址0x0800 0000启动，BOOT = 1时，会从ITCM首地址0x0000 0000启动。

      如果用户使能了Flash Level 2保护，那么只能从Flash地址空间进行启动。

 

 

小结

类型I的启动是在片上没有固化的bootrom时采用的方式。该方式优点是比较灵活，可以将bootrom的引导程序放在片外存储上，方便用户修改；缺点是相对类型II和类型III，解决成本相对较高，安全性相对来说较弱，无法做到安全启动的目的。

       类型II的启动一般是芯片应用非常确定的领域。

       类型III的启动是最多MPU采用的方式。在三种方式中最灵活。