痞子衡嵌入式：导致串行NORFlash在i.MXRT下无法正常下载/启动的常见因素之WriteProtection

  • Z时代
  • 2024-01-10
  • 分类：综合

编程

　　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导致串行NOR Flash在i.MXRT下无法正常下载/启动的常见因素之Write Protection。

　　i.MXRT系列MCU发布已两年多了，基于i.MXRT的客户产品也越来越多，可以说是全面开花了。痞子衡作为i.MXRT产品线的系统应用工程师，早期的时候还可以尽情做参考设计，现在基本大量时间都被客户支持占据了。

　　因为i.MXRT系列都没有内置Flash（RT1064, RT1024等SIP型号除外），因此为其搭配一块串行NOR Flash去启动是客户项目的头等大事，而串行NOR Flash厂商非常多，客户选择余地很大，因此我们不得不与客户一起同茫茫Flash型号打交道，痞子衡也常常调侃自己已沦为Flash测试工程师。

　　痞子衡在支持客户解决串行NOR Flash下载启动问题过程中主要遇到几个常见因素，这几个因素可能会影响Flash在i.MXRT下无法正常使用，上两篇痞子衡分别讲了 《SFDP因素》 和 《QE bit因素》， 今天痞子衡重点跟大家聊聊Write Protection这个因素。

一、引入客户板子可以启动、无法再次下载问题

　　痞子衡最近遇到一个智能电表厂商客户，他们项目板卡选用的是主控i.MXRT1051 + 华邦W25Q64JVSSIQ，应用程序是MBED bootloader + User App二级加载设计，其中MBED bootloader是由Arm Pelion物联网小组主导设计的，User App是这个电表厂商自己的功能代码。

　　客户的问题是烧写了一个特定版本的MBED bootloader运行之后，板卡Flash无法再次做烧写了，但是板子是能够正常从Flash启动的。客户之后尝试使用了各种下载工具都不管用（J-Flash/IDE/NXP Tool等），其中下载工具包括痞子衡设计的一站式下载工具 MCUBootUtility ，于是问题就转到了痞子衡这里（好像有点躺枪的感觉）。工具后台报的错是擦除或者写入时会返回 kStatus_FlexSPINOR_CommandFailure，导致无法下载。

　　既然问题和特定版本的MBED bootloader有关，那看起来就是这个bootloader引入的问题，但是痞子衡拿不到客户MBED bootloader源码，无法做白盒分析。鉴于痞子衡这么多年和Flash打交道的经验，痞子衡盲猜是bootloader使能了Flash的软件写保护功能（Software Write Protection）导致的问题，于是痞子衡让客户寄来了一块板卡，实测来证实痞子衡的猜想。

二、修改SDK FlexSPI例程来读取Status Register

　　查看W25Q64JVSSIQ数据手册得知，软件写保护功能的配置集成在Flash器件内部非易失性Status Register中，这款Flash一共有3个8bit的Status Register（状态寄存器均支持易失性写入（即断电恢复）和非易失性写入（即断电保持），由前导的Write Enable命令类型0x06/0x50决定），并且每个Status Register都有不同的读写命令：

　　现在我们简单修改了下SDK里的如下flexspi nor例程（选择ram build），增加上述三个Status Register读取功能的支持，从而实测读取Status Register来做验证。

SDK_2.9.1_EVKB-IMXRT1050oardsevkbimxrt1050driver_examplesflexspi

orpolling_transfer

　　首先是在 app.h 和 flexspi_nor_polling_transfer.c 中将Status Register的读取命令加入到LUT表中。原来工程里已经有Status Register 1的读取支持，所以我们仅需增加Status Register 2/3的支持即可。因为这新增的两条命令，需要将CUSTOM_LUT_LENGTH由60改到64（i.MXRT1051上最大64，即支持16条LUT Sequence）。

const uint32_t customLUT[CUSTOM_LUT_LENGTH] = {
    // ...
    /* 原有 Read status register 1 */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READSTATUSREG] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x05, kFLEXSPI_Command_READ_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04),
    /* 新增 Read status register 2 */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READSTATUSREG2] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x35, kFLEXSPI_Command_READ_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04),
    /* 新增 Read status register 3 */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READSTATUSREG3] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x15, kFLEXSPI_Command_READ_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04),
    // ...
};

　　然后在 flexspi_nor_flash_ops.c 中新增如下 flexspi_nor_get_status_register() 函数，这个函数直接仿照 flexspi_nor_get_vendor_id() 函数流程写即可，Flash端时序是一样的。

status_t flexspi_nor_get_status_register(FLEXSPI_Type *base, uint8_t seqIndex, uint8_t *regValue)
{
    uint32_t readValue;
    flexspi_transfer_t flashXfer;
    flashXfer.deviceAddress = 0;
    flashXfer.port          = kFLEXSPI_PortA1;
    flashXfer.cmdType       = kFLEXSPI_Read;
    flashXfer.SeqNumber     = 1;
    flashXfer.seqIndex      = seqIndex;
    flashXfer.data          = &readValue;
    flashXfer.dataSize      = 1;
    status_t status = FLEXSPI_TransferBlocking(base, &flashXfer);
    *regValue = (uint8_t)readValue;
    /* Do software reset. */
    FLEXSPI_SoftwareReset(base);
    return status;
}

　　最后就是在 flexspi_nor_polling_transfer.c 中的 main() 函数里增加 flexspi_nor_get_status_register() 函数调用语句，将Status Register 1/2/3的值全部读取出来。

static uint8_t s_regValue1 = 0;
static uint8_t s_regValue2 = 0;
static uint8_t s_regValue3 = 0;
int main(void)
{
    status_t status;
    BOARD_ConfigMPU();
    BOARD_InitPins();
    BOARD_BootClockRUN();
    BOARD_InitDebugConsole();
    flexspi_nor_flash_init(EXAMPLE_FLEXSPI);
    /* Get status register 1-3. */
    status = flexspi_nor_get_status_register(EXAMPLE_FLEXSPI, NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READSTATUSREG, &s_regValue1);
    status = flexspi_nor_get_status_register(EXAMPLE_FLEXSPI, NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READSTATUSREG2, &s_regValue2);
    status = flexspi_nor_get_status_register(EXAMPLE_FLEXSPI, NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READSTATUSREG3, &s_regValue3);
    // ...
}

三、W25Q64JVSSIQ的Write Protection特性

　　将上一节修改后的 flexspi nor 例程下载进RAM调试运行，可以读出Status Register 1/2/3的值分别为0x40、0x42、0x60，看起来Status Register确实被MBED bootloader修改过。痞子衡标出了W25Q64JVSSIQ内部状态寄存器中所有与写保护相关的bit位如下，我们需要对照Flash数据手册具体查看读出来的值对应了什么样的写保护设置：

　　首先Status Register1[SRP]，Status Register2[SRL]以及外部WP#引脚共同决定Status Register设置条件，本例中SRL和SRP均为0，则WP#引脚控制不生效，Status Register可以直接被设置。

　　Status Register中其他写保护相关的bit位解释如下，其中WPS是核心设置，它决定了写保护是用单独的Block lock命令来控制（见Flash命令集）还是直接由Status Register1/2中的CMP,TB,SEC,BPx位来决定。

Status Register3[WPS]：决定写保护策略是独立的Block锁定命令控制（WPS=1，默认设置）还是由Status Register1/2控制（WPS=0）
Status Register1[BPx]：指定Flash Memory保护区域块范围
Status Register1[SEC]：指定Flash Memory保护区域块单位是4KB Sector（SEC=1）还是64KB Block（SEC=0）
Status Register1[TB]：指定Flash Memory保护区域是从Top（TB=0）/Bottom（TB=1）开始
Status Register2[CMP]：决定由BPx,SEC,TB决定的Flash Memory保护区域是否生效(否的话，则区域外是受保护的)

　　综合上面分析，最后我们发现MBED bootloader将全部的8MB Flash空间都保护起来了，所以各种下载工具都无法正常烧写这款Flash了。

四、修改SDK FlexSPI例程来写入Status Register

　　要想重新使能Flash烧写，需要一个单独的嵌入式小工程将Status Register1/2/3值再改回到默认状态（WPS=0, CMP=0），可按照第2节里读SR功能修改步骤，代码如下。代码工程修改完成后借助调试器下载到RAM运行一次即可，需要注意应在芯片SDP模式下运行，运行结束后，立刻借助其他下载工具将Flash里旧固件更新掉，保证这个过程中不存在软复位而导致旧固件被再次运行的可能。（此处是将Flash里的MBED bootloader换掉，因为是它在使能Flash的写保护功能）

// flexspi_nor_flash_ops.c 文件中新增 flexspi_nor_set_status_register() 函数
status_t flexspi_nor_set_status_register(FLEXSPI_Type *base, uint32_t regIdx, uint8_t regValue)
{
    flexspi_transfer_t flashXfer;
    status_t status;
    uint32_t writeValue = (uint32_t)regValue;
    /* Write enable */
    status = flexspi_nor_write_enable(base, 0);
    if (status != kStatus_Success)
    {
        return status;
    }
    flashXfer.deviceAddress = 0;
    flashXfer.port          = kFLEXSPI_PortA1;
    flashXfer.cmdType       = kFLEXSPI_Write;
    flashXfer.SeqNumber     = 1;
    flashXfer.seqIndex      = regIdx;
    flashXfer.data          = &writeValue;
    flashXfer.dataSize      = 1;
    status = FLEXSPI_TransferBlocking(base, &flashXfer);
    if (status != kStatus_Success)
    {
        return status;
    }
    status = flexspi_nor_wait_bus_busy(base);
    /* Do software reset. */
    FLEXSPI_SoftwareReset(base);
    return status;
}
// app.h 文件中
#define NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_WRITESTATUSREG     9
#define NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_WRITESTATUSREG2    10
#define NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_WRITESTATUSREG3    11
//#define NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_ENTERQPI           10
//#define NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_EXITQPI            11
// flexspi_nor_polling_transfer.c 文件中将Status Register的写入命令加入到LUT表中
const uint32_t customLUT[CUSTOM_LUT_LENGTH] = {
    // ...
    /* 原有 Write status register 1 */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_WRITESTATUSREG] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x01, kFLEXSPI_Command_WRITE_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04),
    /* 新增 Write status register 2 */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_WRITESTATUSREG2] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x31, kFLEXSPI_Command_WRITE_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04),
    /* 新增 Write status register 3 */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_WRITESTATUSREG3] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x11, kFLEXSPI_Command_WRITE_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04),
    /*
    // Enter QPI mode //
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_ENTERQPI] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x35, kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0),
    // Exit QPI mode //
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_EXITQPI] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_4PAD, 0xF5, kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0),
    */
};
int main(void)
{
    status_t status;
    BOARD_ConfigMPU();
    BOARD_InitPins();
    BOARD_BootClockRUN();
    BOARD_InitDebugConsole();
    flexspi_nor_flash_init(EXAMPLE_FLEXSPI);
    /* Set status register 1-3. */
    status = flexspi_nor_set_status_register(EXAMPLE_FLEXSPI, NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_WRITESTATUSREG, 0x00);
    status = flexspi_nor_set_status_register(EXAMPLE_FLEXSPI, NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_WRITESTATUSREG2, 0x02);
    status = flexspi_nor_set_status_register(EXAMPLE_FLEXSPI, NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_WRITESTATUSREG3, 0x60);
    // ...
}

五、写在最后

　　这里仅以华邦Flash为例介绍Write Protection，其他厂商Flash对于这个Write Protection特性设计也许有所不同，需要查看数据手册具体分析。此外鉴于Flash这种种因素会导致在i.MXRT无法下载或正常启动，痞子衡之前计划做的全新上位机工具MCUTestSuite，会考虑将串行NOR Flash状态信息查询功能（SFDP/QE bit/Write Protection等）也放进去，敬请关注这个新项目：

  • MCUTestSuite工具项目：https://github.com/JayHeng/NXP-MCUTestSuite

　　至此，导致串行NOR Flash在i.MXRT下无法正常下载/启动的常见因素之Write Protection痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~

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