Booting SBL和板载OSPI Flash烧录

AM243x 是TI Sitara产品线推出的高性能MCU+产品，是一种性能强劲的多核异构MCU，拥有4颗800MHz 主频的Cortex R5F核心和1颗400MHz 主频的Cortex M4F，以及专门针对多协议工业通信总线的2个PRU_ICSSG（2× Gigabit Industrial Communication Subsystems）模块，可以实现Profinet IRT，Profinet RT，EtherNet/IP，EtherCAT等通信方式。

在这类多核异构MCU / CPU产品开发中，由于芯片在电源轨上的复杂性以及外设的丰富程度，不可避免的会接触到系统复杂的boot环节，以及多核调试带来的挑战，本文以AM243x-LP评估板为例，对AM243x的booting相关内容进行了初步的介绍，并完整演示了RBL-SBL-APP的整个启动过程以及程序烧录的方法。

本文以AM243x多核芯片体系结构为切入点，简要介绍了AM243x的启动过程，包括加电顺序、引导模式选择、ROM引导过程、SBL过程、SBL-编译和SYSFW介绍。以ADC演示为例，结合AM243x LP评估板，完整演示了RBL->SBL->APP启动过程，简要介绍了在UART模式下编程外部OSPI Flash的环境设置和操作过程，方便用户在AM243x芯片上快速启动应用程序开发。

2. AM243x 上电后的Booting环节：

下图是AM243x完整的boot流程：

ROWER ON -> ROM Bootloader(RBL) -> Secondary Bootloader(SBL) -> Application Binary。 上电后，芯片进行内部逻辑的初始化，之后先执行ROM中的BOOT代码，再执行用户自定义的二级BOOT代码，最后执行应用程序. 

Figure 1   BOOT 启动流程

2.1 上电时序和启动方式介绍

AM243x 芯片拥有多个电源域，为不同的内部逻辑和外设供电，，下图是AM243x的上电时序图，可以在datasheet找到更详细的介绍。

Figure 2     Power Sequence

在满足供电时序的情况下，MCU_PORz信号最终释放了对内核复位的控制， MCU_PORz的上升沿会锁存SYS_BOOTMODE[0:15]这些管脚的上下拉状态，并由此确定芯片的启动模式和启动介质，然后由ROM Bootloader来读取启动信息。

AM243x 有两种主要的启动方式：Host boot modes 和 Memory boot modes。

Host boot modes：MCU从不同的外设进行启动，比如从UART、Ethernet、USB等接口启动；

Memory boot modes：MCU从不同的外部存储介质，比如QSPI Flash、I2C EEPROM、SD卡、U盘等存储器启动；

注意：AM243x 有Primary Boot和Backup Boot功能，这意味着AM243x在Primary Boot失败的情况下可以用 Backup Boot 来启动，这个可以由 BOOTMODE 管脚进行设置。

关于 BOOTMODE 管脚配置，我们可以看到是由16根信号线组成，其中高两位为Reserved。其16bit对应的是BOOTMODE 00-15这16根信号线，原理图中对应的管脚为GPMC0_AD0 – 15。

Figure 3     BOOTMODE Pin Mapping

PLL Config 针对不同的外部晶振频率进行配置。

Figure 4     PLL Reference Clock Selection

Primary Boot 模式如下：

 

Figure 5     Primary Boot Mode Selection

Backup Boot 模式如下：（注意Backup模式下可启动的方式较少）

Figure 6     Backup Mode Selection

注意：由于ROM Code对不同的启动接口或介质使用的管脚是固定的，在设计的过程中需要注意选择对应的管脚，详细的管脚信息可以在Technical Reference Manual中查看。

2.2 ROM启动过程介绍

AM243x的ROM Code分为两部分，分别是DMSC ROM code和Public ROM code，这里DMSC的全称为Device Management Security Controller，内部是一个主频250MHz 的Cortex M3协处理器， DMSC模块是芯片启动的主控制器.

DMSC ROM code：DMSC ROM 的代码会涉及到以下几个部分：

设备管理；

在 BOOT_CFG中配置boot vectors，控制 R5内核的reset释放， 需特别指出，启动过程中DMSC是R5内核的控制者；

通过主DMSS（Data Movement Subsystem）和Secure Proxy进行IPC的配置；

对R5内核和SA2UL（Security Accelerator）的PLL进行配置；

X509认证的解析；

SHA512算法对image integrity check的SA2UL配置；

Public ROM code：下图是Public ROM code的框架。

Figure 7     Public ROM Code Architecture

Main Module是整个Public ROM code的顶层代码循环，它可以调用X509密码认证模块、Log Trace模块、System模块以及外设驱动的相关功能代码，在这里会重复执行直到MCU接收到完整的boot image，也可以被 DMSC置于sleep模式；

芯片上电后一级启动过程可以分为三部分：

Hardware 部分：这里主要指电源的上电过程，以及芯片内部逻辑的初始化；

DMSC部分：DMSC ROM Code 会首先配置启动过程中看门狗WDT的溢出时间为180秒，接下来配置MCU PLL，根据不同Boot Mode进行相应的Firewall配置，MCU的Secure Proxy/Ring Accelerator，然后DMSC会给MCU发送Boot Mode Info，最终DMSC释放R5内核的Reset信号，R5内核开始工作；

R5 内核部分：R5 内核拿到DMSC发送的Boot Device Info（由BOOTMODE管脚的配置决定）后，通过对应的Boot模式开始启动，R5内核会请求DMSC对接收到的image代码进行image integrity check，如果成功则继续向下执行，如果Primary Boot的image无效，R5会切换到Backup Mode 进行boot image接收并再次调用DMSC进行image integrity check，这样重复执行调用，直到180秒看门狗溢出为止，这时MCU会被复位，重复上面的所有流程。

当image integrity check成功后，R5内核会对Main Domain的PLL进行配置，接下来DMSC会停止Clock并且Reset R5，R5在复位结束后开始执行Boot Image（这里在RAM里面的Boot Image不受R5复位的影响，处于保持状态），整个Boot流程完成，芯片开始二级BOOT流程。

Figure 8     Boot Process

2.3 二级SBL启动过程介绍

SBL的全称是Second boot loader，用于完成芯片的一些初始配置，拷贝DMSC的SYSFW到片内RAM以及加载多核应用代码。 下图是一个典型的SBL流程.  DMSC模块会再次启动WDT看门狗并设定开门狗溢出时间为180秒。 R5 core 0执行SBL代码，先拷贝FLASH上的DMSC SYSFW到片内RAM， DMSC ROM代码对SYSFW image 进行完整性检查后，将SYSFW加载到DMSC模块，之后DMSC模块会跳出DMSC ROM代码，改为执行DMSC SYSFW代码。 SBL会继续加载和解析R5核的应用代码并根据Image信息设定启动地址，完成后会请求DMSC 释放其他R5核的复位信号，所有内核开始执行程序. 

Figure 9     SBL Boot Process

 3. AM243x-LP 使用介绍：

AM243x-LP评估板提供了丰富的功能和接口，XDS110调试器也被集成在威廉希尔官方网站 板上面，方便用户的烧录调试，同时USB转UART功能也通过同一USB接口实现，用于串口log信息的打印。

Figure 10     System Architecture

评估板上的另一个USB Type C接口用来供电，整板的电流会在2A左右，这里建议先连接Micro USB，建立串口连接后，然后再连接USB Type C接口。USB Type C的连接线需要使用标准的全功能连接线，否则无法与评估板上的CC逻辑控制器TUSB320LAIRWBR进行正常通信，造成输出电流配置不正常，无法正确对评估板供电。

Figure 11     AM243x-LP Board

正常连接两根USB线之后，板子上会有4个LED灯点亮，分别是LD6、LD7、LD8和LD11四个绿色LED灯。LD9红色灯会在USB Type C插入的瞬间亮一次，之后熄灭，如果常亮，则代表供电有问题。

 

Figure 12     AM243x-LP Board LED Status

在Micro USB线连接后，Windows系统会进行XDS110的驱动安装（CCS安装时会自带驱动），安装完成后，会在设备管理器里面出现两个对应设备，如下图。

Figure 13     AM243x-LP Board USB Port

User UART对应的是用户可用的USB转串口打印log的端口，在AM243x-LP评估板中对应的是AM243x的MAIN_UART0接口。

下图是AM243x-LP评估板上的四个按键，其功能分别如下：

 

Figure 14     AM243x-LP Board Push Buttons

在理解这几种不同的Reset之前，我们先看看AM243x整个芯片构成的两个Domain，分别是MCU Domain和Main Domain，它们分别由下面的子模块构成。

 

 

Figure 15     AM243x Power Domain

我们可以看到在不同的Domain里面包含了不同的模块和外设，这个就决定了不同Domain对不同外设和模块的控制权。在Reset部分，可以通过不同的Reset源对不同的Domain进行独立控制，也可以通过配置改变其控制Domain的范围。

MCU_PORz：可以看作整个芯片（MCU+MAIN）的冷启动复位，可以进行动态Boot Mode更改而不用断电；

MCU_RESETz：MCU Domain的热复位；

SoC_RESET_REQz： Main Domain的热复位；

在AM243x-LP评估板上可以由8位拨码开关来更改Boot配置，其中第8位没有使用，是悬空状态，下面的表格列出了这7位配置对应的Boot Mode情况。

Figure 16     AM243x LP Boot Mode Selection Table

其中常用的三种模式如下图所示：

 

 

Figure 17-1     AM243x LP Boot Mode Switch

关于 Backup Boot Mode，在AM243x-LP是默认配置为NONE模式（BOOTMODE13:10 = x 0 0 0），这里暂时不用关心。

Figure 17-2     AM243x LP Boot Mode Switch (Backup Mode Configuration)

可以在断电状态下更改拨码开关的配置，然后重新上电。或者在通电的情况下改变拨码开关，然后用SW1按钮实现MCU_PORz冷复位以使得新的Boot Mode生效。

4. SDK 例程中 SBL 的介绍：

如果要对 SDK 中的 SBL 程序在CCS中进行编译，需要额外安装OpenSSL，可以在下面的地址下载light版本，

https://slproweb.com/download/Win64OpenSSL_Light-3_0_0.exe

在安装的过程中，注意选择 The Windows system directory选项。

Figure 18     OpenSSL Installation

安装完成后，需要在windows系统的Path变量中加入下面的路径。

C:Program FilesOpenSSL-Win64bin

完成后，即可导入C:timcu_plus_sdk_am243x_0x_xx_xx_xxexamplesdriversboot 中的例程，并进行编译。这里我们导入的是 sbl_ospi 这个文件夹内的工程。

Figure 19     SBL Boot Project

SBL NULL：这个SBL只做了MCU的初始化并且把内核至于WFI模式（Wait For Interrupt）；

SBL OSPI：初始化MCU并且从OSPI Flash 的 0x80000地址读取并启动多核appimage代码；

SBL OSPI Multi-Partition：初始化MCU并且从OSPI Flash 不同的偏移地址读取各个内核的代码；

SBL UART：初始化MCU并且从UART通过Xmodem协议读取并启动多核appimage代码；

SBL UART Uniflash：配合py脚本的flash writer程序，用来烧录OSPI Flash；

4.1   SBL boot image 创建

SBL 与一般的应用程序类似，可以通过CCS来创建并编译，在从 .out文件到boot image的转化过程，其详细情况如下：

虽然SBL工程与应用程序类似，但SBL 的入口地址与用户应用程序的入口地址有所不同。在AM243x 的 ROM code 会把程序的入口地址同时配置给 both R5FSS0-0 和R5FSS0-1两个内核。 考虑到SBL只运行在R5SS0-0上，我们需要把R5FSS0-1置于WFI模式，只运行R5FSS0-0内核，这个操作可以通过增加link参数 -e_vectors_sbl 来实现。

Figure 20     AM243x Link Command

在进入main()函数之后，首先必须调用Bootloader_socLoadSysFw 来加载 SYSFW 到 DMSC 的Cortex M3内核，进行 board config 操作。

备注：SYSFW默认以 .h 头文件的形式被编译链接到SBL，启动过程中会发送到DMSC内核的专有RAM区域，SYSFW的文件内容在 C:timcu_plus_sdk_am243x_0x_xx_xx_xxsourcedriverssciclientsocam64x_am243x sysfw_signed.h 里面。

Figure 21     Bootloader_socLoadSysFw

在SBL里，vectors默认被链接到0x7000000，而且SBL中不能使用ATCM（A Tightly-Coupled Memory）和BTCM（B Tightly-Coupled Memory）的地址空间，SBL 只能使用 0x70000000到0x70080000这个地址范围的空间，包含code、data、stack之类。

在编译后，SBL的 .out 文件会通过GCC的objcopy转换成 .bin 文件，接下来会通过 Signing Scripts 签名生成可启动的 .tiimage 文件，在这里会使用一个默认的key来签名，即使是非安全启动MCU芯片也需要走这个流程。这个 Signing Script 会用到前面安装的 OpenSSL。

RBL在加载SBL的时候是需要SBL为被签名的格式，可以通过下面的命令来对SBL进行签名。

cd C:timcu_plus_sdk_am243x_0x_xx_xx_xxtoolsbootsigning

.x509CertificateGen.ps1 -b {BOOTIMAGE_BIN_NAME} -o {BOOTIMAGE_NAME} -c R5 -l 0x70000000 -k rom_degenerateKey.pem -d DEBUG -j DBG_FULL_ENABLE -m SPLIT_MODE

这里我们用一个例程生成的bin文件来演示一下，首先拷贝CCS生成的bin文件到C:timcu_plus_sdk_am243x_0x_xx_xx_xxtoolsbootsigning，方便命令行下操作。

Figure 22     Signing Files Folder

注意：这里要用到 Windows 10下面的Powershell命令行环境，在开始菜单输入Powershell并执行，即可进入界面，公司的电脑有可能对Powershell的执行权限有限制，这个在执行的时候会提示。

.x509CertificateGen.ps1 -b sbl_ospi_am243x-lp_r5fss0-0_nortos_ti-arm-clang.bin  -o sbl_ospi_am243x-lp.tiimage -c R5 -l 0x70000000 -k rom_degenerateKey.pem -d DEBUG -j DBG_FULL_ENABLE -m SPLIT_MODE

至此，我们在这里可以看到最终生成的可以用来启动的SBL的 tiimage 文件。

Figure 23     Powershell console command execution

Figure 24     Signing result of tiimage

5. SBL 烧录并引导应用程序运行：

下面我们快速验证一下SBL配合用户应用程序进行boot并运行的情况。

5.1   安装Phython 脚本

板载外部QSPI Flash需要通过python脚本进行烧录，所需的Python 3 环境下载地址如下。

https://www.python.org/downloads/windows/

注意安装Python的时候需要选择把Python的路径加入到系统路径，安装完成后可以在CMD Console下验证是否安装成功。

Figure 25     Python Installation

Figure 26     Python Environment Check

接下来需要执行下面的命令安装与串口下载相关的组件，注意需要在管理员模式打开cmd窗口。

pip install --upgrade pip

pip install pyserial xmodem tqdm

Figure 27     Python toolset installation

5.2   生成应用代码Image

打开 CCS后，导入SDK的ADC驱动例程，路径如下。

C:timcu_plus_sdk_am243x_0x_xx_xx_xxexamplesdriversadcadc_singleshotam243x-lpr5fss0-0_freertos

Figure 28     Import SDK ADC example into CCS

Figure 29     Confirm the example import

Figure 30     Build the example

编译完工程后，我们可以看到生成的相关文件，其中.appimage是应用程序要烧录到外部 SPI Flash的文件。

5.3   使用UART 启动模式烧录OSPI SBL文件和应用代码Image

接下来的烧录操作需要在windows的command console里操作，为了方便这个流程，我们可以利用bat文件来直接执行，提高效率。

在ccs的workspace目录中adc_singleshot_am243x-lp_r5fss0-0_freertos_ti-arm-clang工程目录下，我们新建一个文件夹，暂且命名为AM243xProgFlash，如下图：

Figure 31     UART programing script files

在这个文件夹里面，@Prog-Boot+App.bat 是手工创建的，里面执行了简单的python命令，sbl_ospi.release.tiimage、sbl_uart_uniflash.release.tiimag是从 C:timcu_plus_sdk_am243x_0x_xx_xx_xxtoolsbootsbl_prebuiltam243x-lp 这个路径拷贝过来的。

其中sbl_ospi.release.tiimage 也可以使用上面我们编译成功的 sbl_ospi 工程的 tiimage 文件。uart_uniflash.py 从C:timcu_plus_sdk_am243x_0x_xx_xx_xxtoolsboot 拷贝过来。ospi_sbl+app.cfg 是根据 C:timcu_plus_sdk_am243x_0x_xx_xx_xxtoolsbootsbl_prebuiltam243x-lpdefault_sbl_ospi.cfg 文件修改的。

下面是 @Prog-Boot+App.bat和 ospi_sbl+app.cfg  两个文件的内容。

@Prog-Boot+App.bat 文件：这里需要注意 COM17 根据自己的情况来修改PC端烧录端口。

@echo off

echo+

echo+

echo **********************************************************************

echo Start to Program "QSPI Bootloader" and "App Image" to QSPI Flash......

echo **********************************************************************

echo+

echo+

python uart_uniflash.py -p COM17 --cfg= ospi_sbl+app.cfg

echo+

echo+

echo ******** Finished!!! ********

echo+

echo+

pause

ospi_sbl+app.cfg 文件：这里注意黄色标识部分的路径和文件名。

#-----------------------------------------------------------------------------#

#                                                                             #

#      DEFAULT CONFIGURATION FILE TO BE USED WITH THE FLASHWRITER SCRIPT      #

#                                                                             #

#-----------------------------------------------------------------------------#

#

# By default this config file,

# - points to pre-built flash writer, bootloader for this LP

# - The application image points to relative path of the ipc echo application image for this LP

#   - Make sure this application is built before running this script

# - You can customized this config file to point to your own bootloader and/or application images

# - You can use --operation=flashverify if you just want to verify the flash contents and not flash the file.

#

# First point to sbl_uart_uniflash binary, which function's as a server to flash one or more files

--flash-writer=sbl_uart_uniflash.release.tiimage

# Now send one or more files to flash or flashverify as needed. The order of sending files does not matter

# Program the OSPI PHY tuning attack vector

--operation=flash-phy-tuning-data

# When sending bootloader make sure to flash at offset 0x0. ROM expects bootloader at offset 0x0

--file=sbl_ospi.release.tiimage --operation=flash --flash-offset=0x0

# When sending application image, make sure to flash at offset 0x80000 (default) or to whatever offset your bootloader is configured for

--file=../Debug/adc_singleshot_am243x-lp_r5fss0-0_freertos_ti-arm-clang.appimage --operation=flash --flash-offset=0x80000

# send the XIP image for this application, no need to specify flash offset since flash offset is specified within the image itself

#--file=../Debug/adc_singleshot_am243x-lp_r5fss0-0_freertos_ti-arm-clang.appimage_xip --operation=flash-xip

准备好这些文件后，把AM243x-LP配置为UART boot后上电，双击执行@Prog-Boot+App.bat即可烧录。

Figure 32     UART Programing Result

5.4  使用UART 启动模式烧录QPSI SBL文件和应用代码Image

烧录完成后，切换AM243x-LP为 QSPI BOOT 模式，用按键SW1 MCU_PORZ复位系统，可以看到串口输出的信息，这里可以看到OSPI Bootloader 的信息和 ADC demo 的信息输出，到此完成了 RBL-SBL-APP 的启动过程。

Figure 33     ADC Program Running Result

6. 总 结：

由于此类多核异构MCU的构架与通用MCU的构架差异较大，在启动和调试带来的挑战也是显而易见的。本文以AM243x的芯片构架为切入点，简要的介绍了AM243x的启动流程以及涉及到的SBL相关内容，以ADC demo为例，结合AM243x-LP评估板，完整演示了RBL-SBL-APP 的启动过程，简要介绍了 UART 模式烧录外部OSPI Flash的环境搭建和操作流程，方便用户快速进入AM243x 芯片的应用开发。