痞子衡嵌入式：恩智浦i.MXRTxxx系列MCU启动那些事（7）从SD/eMMC启动

  • 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恩智浦i.MXRTxxx系列MCU的SD/eMMC卡启动。

　　关于 i.MXRT 启动设备，痞子衡之前写过很多篇文章，都是关于串并行 NOR/NAND Flash。相信对于 Flash 的原理和读写擦访问，玩 MCU 的朋友一定不会陌生，但是说到让 MCU 从 SD/eMMC 卡启动，估计很多人都是一脸懵，这个在 MCU 世界里没怎么见过啊。

　　从 SD/eMMC 启动其实在 MPU（应用处理器） 世界里非常常见，因为其更换应用程序的便利性，以及文件系统的广泛支持。恰好 i.MXRT 系列又是引领跨界风潮的 MCU，所以支持从 SD/eMMC 启动在 i.MXRT 上就显得那么自然和合理。话不多说，今天痞子衡就带你见识一下：

一、支持的SD/eMMC

　　i.MXRTxxx 系列内部有一个名为 uSDHC 的强大外设，通过它能够访问 MMC/SD/SDIO 三类卡，BootROM 里关于 SD/eMMC 的启动支持就是借助这个 uSHDC 外设：

• Conforms to the SD Host Controller Standard Specification version 2.0/3.0
• Compatible with the MMC System Specification version 4.2/4.3/4.4/4.41/4.5/5.0
• Compatible with the SD Memory Card Specification version 3.0 and supports the Extended Capacity SD Memory Card
• Compatible with the SDIO Card Specification version 2.0/3.0
• Designed to work with SD Memory, miniSD Memory, SDIO, miniSDIO, SD Combo, MMC, MMC plus, and MMC RS cards
• Card bus clock frequency up to 208 MHz.
• Supports 1-bit / 4-bit SD and SDIO modes, 1-bit / 4-bit / 8-bit MMC modes.

　　仅对于 uSDHC 接口启动而言，选择 SD/eMMC 操作流程是差不多的。因为 i.MXRT500 BootROM 仅支持 eMMC 设备，而 i.MXRT600 BootROM 同时支持 SD 和 eMMC 设备，所以本文主要就以 i.MXRT600 从 eMMC 启动为例来具体介绍今天的主题。i.MXRT600 BootROM 主要实现了以下的 eMMC 类型卡支持：

(e)MMC 卡类型：
• eMMC Version 5.0 or earlier version.
• MMC Version 4.4 or earlier version.
(e)MMC 卡模式.
• eMMC/MMC: 4-bit/8-bit; full speed SDR(26MHz), high speed SDR/DDR(52MHz).
• eMMC Version 4.4 or later version: fast boot is supported.

　　因为官方 MIMXRT685-EVK 上并没有 eMMC 芯片，痞子衡找了块内部使用的 RT600_BGA176_Chip_RevB0_Rev.C 板卡来做测试，这块板卡上在 i.MXRT600 uSDHC0 上连接了一颗来自 Kioxia 的 THGBMNG5D1LBAIT 芯片（eMMC 5.0，容量 4GB，最高速率 400MB/s）。

二、SD/eMMC硬件连接

　　i.MXRT500/600 内部都有 2 个 uSDHC 模块（注：uSDHC1 可能在一些小封装上没有引出），BootROM 支持如下 pinmux（适用RT500/600）来连接 SD/eMMC 卡去启动。i.MXRT500 上这两组 uSDHC 都可以连 eMMC（仅 uSDHC0 支持 HS400 模式），i.MXRT600 上这两组 uSDHC 也都可以连接 SD/eMMC：

　　如下是 RT600_BGA176_Chip_RevB0_Rev.C 板上 eMMC 连接设计：

三、SD/eMMC加载启动过程

　　SD/eMMC 设备本质上属于 NAND，而 NAND 天生不支持 XiP，所以在 SD/eMMC 中仅能放置 Non-XIP Application（链接到内部 SRAM 或者 外部 RAM 空间），并且 SD/eMMC 又已经简化了 NAND 访问，因此从 SD/eMMC 启动加载流程其实跟 《从 Serial(1-bit SPI) NOR恢复启动》 加载流程差不多的（参考文章第 3 小节）。

　　i.MXRTxxx BootROM 给全部支持的设备定义了统一的 Application 偏移地址。对于 eMMC 设备，起始偏移一般要存放系统 main boot record (MBR)，因此需要让开，所以 BootROM 会从偏移 0x1000 地址处（byte address, block index 8）读取 image header 数据（一共64个字节），找到其中的 imageLength 和 imageLoadAddress ，这样就知道了 Application 加载起始地址以及总长度，然后再将 Application 全部拷贝到相应 SRAM 里去启动。

四、下载Application进SD/eMMC

　　理解了 SD/eMMC 加载启动过程，我们便可以开始使用 BootROM 的 Serial ISP 模式去下载 Application 进 SD/eMMC 设备中。痞子衡在启动系列文章的第三篇 《Serial ISP模式(blhost)》) 里介绍了 Serial ISP 模式的使用，现在假定你已经制作好一个 Bootable image 并且使用 blhost 工具与 BootROM 的 Serial ISP 模式建立了基本通信，正要开始将 Bootable image 下载进 SD/eMMC 设备。

　　此时我们只需要提供简化的 8byte 数据就可以完成 SD/eMMC 设备的配置，下面是一种 Application 下载更新示例（该示例适用于 uSDHC0 接口连接的 THGBMNG5D1LBAIT）：

// 在 SRAM 里临时存储 eMMC 配置数据
blhost -u 0x1fc9,0x0020 -- fill-memory 0x10C000 0x4 0xC0010100 // 4bit SDR, Normal Speed
blhost -u 0x1fc9,0x0020 -- fill-memory 0x10C004 0x4 0x0        // uSDHC0, 3.3V
// 使用 eMMC 配置数据去配置 uSDHC0 接口
blhost -u 0x1fc9,0x0020 -- configure-memory 0x121 0x10C000

　　在上述示例里痞子衡首先使用了 fill-memory 命令在 0x10C000 地址处暂存了 8byte 配置数据，然后通过 config-memory 将这 8byte 数据里的信息配置到 uSDHC0 接口中，实际上这 2 个命令成功执行后，你就可以开始使用 Serial ISP 命令下载 Bootable image 了。那么这 8byte 配置数据到底是怎么组织的？详见下表：

　　从上表我们可以知道，其实这 8byte 数据提供的配置信息主要是 eMMC 连接以及属性配置。configure-memory 命令执行成功之后，底下 image 的下载很简单，只需要将 Bootable image 从 eMMC 偏移 0x1000 地址处开始下载即可，具体步骤如下：

// 擦除 eMMC 并将 image 下载进 eMMC
blhost -u 0x1fc9,0x0020 -- flash-erase-region 0x0 0x20000 0x121
blhost -u 0x1fc9,0x0020 -- write-memory 0x1000 bt_image.bin 0x121

　　如果你觉得手动敲命令行太麻烦，也可以使用 MCUBootUtility 工具（v3.5及以上）来完成上述操作：

五、进入SD/eMMC启动模式

　　Application 已经被成功下载进 eMMC 芯片之后，此时我们便可以开始设置芯片从 eMMC 启动，结合 ISP pin 以及 OTP 里 PRIMARY_BOOT_SRC[3:0] 设置，一共有如下选择（下表适用 i.MXRT600）。本次测试我们无需烧录 OTP，只需要将 ISP[2:0] 设为 3"b100 - SDIO 0 (eMMC) 即可。

六、配置OTP启动SD/eMMC

　　设置好芯片启动模式是从 eMMC 备份启动之后，我们还需要最后关注一下与 eMMC 相关的具体特性配置：

　　SD/eMMC 配置主要集中在主芯片内部 OTP BOOT_CFG[2] 和 BOOT_CFG[3] 区域里，下面是最主要的 BOOT_CFG[2 配置（下表适用 i.MXRT600），默认全 0 值适用 3.3V eMMC 设备且工作在 4bit SDR Normal Speed 模式，这个默认配置可以直接用于本次测试，因此我们无需烧写 OTP（当然有需要的话改为 8bit 更快速度模式也是可以的）。

　　上述所有步骤全部完成之后，复位芯片你就应该能看到你放在 eMMC 里的 Application 已经正常地启动了。

　　至此，恩智浦i.MXRTxxx系列MCU的SD/eMMC卡启动痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~

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  衡杰(痞子衡)，目前就职于恩智浦MCU系统部门，担任嵌入式系统应用工程师。

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