LV04-01-IMX6ULL启动流程-01-启动方式

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本文主要是I.MX6ULL启动流程——启动方式的相关笔记，若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正😃。

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Linux开发板 正点原子 i.MX6ULL Linux 阿尔法开发板
uboot NXP官方提供的uboot，NXP提供的版本为uboot-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga(使用的uboot版本为U-Boot 2016.03)
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I.MX6ULL i.MX 6ULL Applications Processors for Industrial Products I.MX6ULL 芯片手册（datasheet，可以在线查看）
i.MX 6ULL Applications ProcessorReference Manual I.MX6ULL 参考手册（下载后才能查看，需要登录NXP官网）
Source Code https://elixir.bootlin.com/linux/latest/source linux kernel源码
https://elixir.bootlin.com/u-boot/latest/source uboot源码

一开始，我们在体验系统的时候就需要使用拨码开关，令系统从eMMC启动或者从SD卡启动，那么，imx6ull芯片上电的时候，它怎么知道从哪启动的？

一、手册内容解读

首先我们先看参考手册：《i.MX 6ULL Applications Processor Reference Manual 》的Chapter 8 System Boot ，这一部分就是专门讲解I.MX6ULL启动相关内容的章节。

1. boot ROM概述

I.MX6ULL芯片内部有一个 boot ROM，上电后 boot ROM 上的程序就会运行。它会根据 BOOT_MODE[1:0]的值，以及 eFUSE 或 GPIO 的值决定后续的启动流程。

说明： eFUSE 即熔丝，只能烧写一次，一般正式发布产品时烧写最终值；平时调试时通过 GPIO 来设置开发板的启动方式。

boot ROM 上的程序功能强大，可以从 USB 口或串口下载程序并把它烧写到Flash 等设备上，也可以从 SD 卡或 EMMC、 Flash 等设备上读出程序、运行程序。

那么考虑一个问题：boot ROM 是从 USB 口下载、运行程序，还是从 SD 卡等设备上读出、运行程序，谁决定？ 我们接着往下看。

2. boot ROM是下载还是读出？

2.1 由什么决定下载还是读出？

还是上面的问题：boot ROM 是从 USB 口下载、运行程序，还是从 SD 卡等设备上读出、运行程序，谁决定？

答案是由 BOOT_MODE[1:0] 的值来决定的，这个boot ROM是下载还是读出，其实就是imx6ull的启动方式，这两个寄存器的值来自于2个引脚BOOT_MODE1、 BOOT_MODE0。这 2 个引脚在上电时是输入引脚，芯片启动后采集这 2 个引脚的值，存入 BOOT_MODE 寄存器。以后这 2 个引脚就可以用于其他功能，不会影响到 BOOT_MODE 寄存器。 BOOT_MODE[1:0]的值确定了 4 种启动模式：

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在正点原子的开发板中，这两个引脚的原理图如下：

image-20230716074826207

其中 BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0 在芯片内部是有 100KΩ下拉电阻的，所以默认是0。 BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0 这两个引脚我们也接到了底板的拨码开关上，这样我们就可以通过拨码开关来控制 BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0 的高低电平。以 BOOT_MODE1为例，当我们把 BOOT_CFG 的第一个开关拨到“ON”的时候，就相当于 BOOT_MODE1 引脚通过 R88 这个 10K 电阻接到了 3.3V 电源，芯片内部的 BOOT_MODE1 又是 100K 下拉电阻接地，因此此时 BOOT_MODE1 的电压就是 100/(10+100)*3.3V= 3V，这是个高电平， 因此 BOOT_CFG 的中的 8 个开关拨到 “ON” 就是高电平，拨到 “OFF” 就是低电平。

2.2 四种模式

2.2.1 00 模式

也就是从 FUSE 启动，在我们的开发过程中很少用到。简单介绍一下。

在这种模式下， GPIO的值被忽略。boot ROM 会根据 eFUSE 的值来选择启动设备、设置启动设备。但是，对于刚出厂的芯片 eFUSE 值可能是错乱的、不适合我们的设备的，那这怎么办？eFUSE 中有一个值 BT_FUSE_SEL，它的出厂值是0，表示 eFUSE 未被烧写。 boot ROM 程序发现 BT_FUSE_SEL 为 0 时，它会通过 USB 或串口来下载程序；发现 BT_FUSE_SEL 为 1 时，才会根据eFUSE 的值选择启动设备，读出、运行该设备上的程序。

2.2.2 01 模式

就是串行下载模式。 此模式下boot ROM 程序可以通过 USB 或串口下载、运行程序。这种模式可以将代码下载到板子上的外置存储设备中，我们可以使用 OTG1 这个 USB口向开发板上的 SD/EMMC、 NAND 等存储设备下载代码。我们需要将 BOOT_MODE1 拨到“OFF”，将 BOOT_MODE0 拨到“ON”。开发板出厂时，一般就是通过这个模式下载、烧写出厂程序的。

2.2.3 10 模式

称之为内部模式（内部BOOT模式），简单地说就是从 SD 卡、 EMMC 等设备启动程序。当 BOOT_MODE1 为 1， BOOT_MODE0 为 0 的时候此模式使能，在此模式下，芯片会执行内部的 boot ROM 代码，这段 boot ROM 代码会进行硬件初始化(一部分外设)，然后从 boot 设备(就是存放代码的设备、比如 SD/EMMC、 NAND)中将代码拷贝出来复制到指定的 RAM 中，一般是 DDR。

当我们设置 BOOT 模式为“内部 BOOT 模式”以后， I.MX6U 内部的 boot ROM 代码就会执行，这个 boot ROM 代码都会做什么处理呢？首先肯定是初始化时钟， boot ROM 设置的系统时钟如图：

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在图中 BT_FREQ 模式为 0，可以看到， boot ROM 会将 I.MX6U 的内核时钟设置为396MHz， 也就是主频为 396Mhz。 System PLL=528Mhz， USB PLL=480MHz， AHB=132MHz，IPG=66MHz。关于 I.MX6U 的系统时钟，我们后面会详细学习。

内部 boot ROM 为了加快执行速度会打开 MMU 和 Cache，下载镜像的时候 L1 ICache 会打开，验证镜像的时候 L1 DCache、 L2 Cache 和 MMU 都会打开。一旦镜像验证完成， boot ROM就会关闭 L1 DCache、 L2 Cache 和 MMU。

中断向量偏移会被设置到 boot ROM 的起始位置，当 boot ROM 启动了用户代码以后就可以重新设置中断向量偏移了。一般是重新设置到我们用户代码的开始地方，关于中断的内容后面会详细学习。

2.2.4 11 模式

11模式一般是保留的。

2.3 支持从哪些设备启动？

可以看手册的《Chapter 8 System Boot →8.1 Overview 》

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当 BOOT_MODE 设置为内部 BOOT 模式以后，可以从以下设备中启动：

（1）接到 EIM 接口的 CS0 上的 16 位 NOR Flash。

（2）接到 EIM 接口的 CS0 上的 OneNAND Flash。

（3）接到 GPMI 接口上的 MLC/SLC NAND Flash， NAND Flash 页大小支持 2KByte、 4KByte和 8KByte， 8 位宽。

（4） QuadSPI(QSPI) Flash。

（5）接到 USDHC 接口上的 SD/MMC/eSD/SDXC/eMMC 等设备。

（6）SPI 接口的 NOR flash 和 EEPROM。

总的来说就是支持这一些：NOR flash、NAND flash、OneNAND flash、SD/MMC、Serial (SPI) NOR flash and EEPROM、QuadSPI (QSPI) flash 。

这些启动设备如何选择呢？ I.MX6U 提供了 eFUSE 和 GPIO 配置两种。

3. 如何选择和设置启动设备？

3.1 怎么区分eFUSE和GPIO的情况？

00 模式下是通过 eFUSE 的值选择启动设备，我们不关心。10 模式下既可以通过 eFUSE 的值也可以通过 GPIO 的值来选择启动设备（谁说的？一开始没找到，后看翻了手册还真有说明）：

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但是到底通过谁来决定？ 上图其实已经给了答案：eFUSE 中有一个值 BT_FUSE_SEL，它的初始值为 0，表示 eFUSE 未被烧写。在 10 模式下，当 BT_FUSE_SEL 为 0 时就会通过 GPIO 来选择启动设备；当 BT_FUSE_SEL 为 1 时就会通过 eFUSE 来选择启动设备。 BT_FUSE_SEL 默认也就是0，在开发阶段，我们使用 GPIO 来选择设备啦。

3.2 选择启动设备

通过 eFUSE 或 GPIO 不仅能选择启动设备，还可以设置启动设备。为什么还需要设置？比如 Nand Flash 参数各有不同， 有些的页大小是 2048，有些是 4096。这些参数不同， boot ROM 程序读 Nand Flash 的方法就不同，我们必须把这些参数告诉 boot ROM：通过 eFUSE 或 GPIO 来标明这些参数。

首先看看要设置哪些 eFUSE 或 GPIO 来选择不同的启动设备。我们既可以使用 eFUSE 也可以使用 GPIO 来选择启动设备，GPIO 可以覆盖 eFUSE 的值。

哪些 GPIO 覆盖哪些 eFUSE？这可以查看《i.MX 6ULL Applications Processor Reference Manual 》中Chapter 8: System Boot 里的 GPIO boot overrides 。选择启动设备后，还需要标明一些参数。比如选择 EMMC 启动时， EMMC 接在哪一个接口， eSDHC1 还是 eSDHC2？它的速度如何？比如选择 TF 卡启动时， TF卡接在哪一个接口， eSDHC1 还是 eSDHC2？它的速度如何？假设使用 EMMC 启动，或是 TF 卡启动，怎么设置 eFUSE 或 GPIO？这些信息可以查询《i.MX 6ULL Applications Processor Reference Manual 》的Chapter 5：Fusemap。

正如启动模式由 BOOT_MODE[1:0]来选择一样，启动设备是通过BOOT_CFG1[7:0]、 BOOT_CFG2[7:0]和 BOOT_CFG4[7:0]这 24 个配置 IO，这 24 个配置 IO 刚好对应着 LCD 的 24 根数据线 LCD_DATA0~LCDDATA23，当启动完成以后这 24 个 IO 就可以作为 LCD 的数据线使用。这 24 根线和BOOT_MODE1、 BOOT_MODE0 共同组成了 I.MX6U的启动选择引脚，下图列出了一小部分：

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图中所示的是BOOT_CFG[7:4]，这四个引脚的的值是在串行模式下决定从NOR/OneNAND、QSPI、SD/eSD/SDXC、MMC/eMMC等设备启动，这几个引脚对应的就是LCD1_DATA[7:4]这几个GPIO。这几个书要是选择启动设备，剩下的引脚主要是用于设置启动设备。

3.3 设置启动设备？

选择启动设备后，还需要标明一些参数。比如选择EMMC启动时，EMMC接在哪一个接口，eSDHC1还是eSDHC2？它的速度如何？选择TF卡启动时，TF卡接在哪一个接口，eSDHC1还是eSDHC2？它的速度如何？假设使用EMMC启动，或是TF卡启动，怎么设置eFUSE或GPIO？这些信息可以查询 i.MX6ULL 参考手册《Chapter 5: Fusemap》：

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前边我们知道 BOOT_MODE[1:0] 设置启动模式（下边的0b表示位）：

  • 当 BOOT_MODE 设置为 0b00 时，通过 eFUSE 选择启动设备，通过 eFUSE 获得设备的参数。

  • 当 BOOT_MODE 设置为 0b10 时，通过 eFUSE 或 GPIO 来选择启动设备，获得设备的参数；使用 eFUSE 还是 GPIO 由 eFUSE 中的 BT_FUSE_SEL 决定，它默认是 0，表示使用 GPIO。

以 BOOT_MODE 为 0b10 为例，我们看一下要设置为 SD 卡、 TF 卡启动的话要怎么搞：

选择启动的设备为SD/TF卡

（1）设置 eFUSE 的 BOOT_CFG1[7:5]为 0b010 ；

（2）查看i.MX6ULL参考手册的《8.3.2 GPIO boot overrides 》确定 BOOT_CFG1[7:5]对应的GPIO 为 LCD1_DATA07~05，把这 3 个引脚设置为 0b010。

根据 SD 卡、 TF 卡的性能，可以设置 eFUSE 或 GPIO 来表示它能否提供更高的速度：

设置SD/TF卡参数

（1）设置 eFUSE 的 BOOT_CFG1[4:0]

（2）查看i.MX6ULL参考手册的《8.3.2 GPIO boot overrides 》确定 BOOT_CFG1[4:0]对应的GPIO 为 LCD1_DATA04~00，设置这些引脚。

（3）IMX6ULL 有两个 SD 卡、 TF 卡接口，使用哪一个接口？设置 eFUSE 的 BOOT_CFG2[4:3]可以确定使用 eSDHC1 或 eSDHC2。

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（4）查看i.MX6U参考手册的《8.3.2 GPIO boot overrides 》确定 BOOT_CFG2[4:3]对应的GPIO 为 LCD1_DATA12~11，设置这些引脚

二、ALPHA板中的启动方式

前边我们知道选择启动设备的时候要调整这 24 个 IO 的高低电平，这得多复杂啊？其实不然，虽然有 24 个 IO，但是实际需要调整的只有那几个 IO，其它的 IO 全部下拉接地即可，也就是设置为 0。打开 I.MX6U-ALPHA 开发板的核心板原理图，这 24 个 IO 的默认设置如图所示：

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大部分的 IO 都接地了，只有几个 IO 接高，尤其是 BOOT_CFG4[7:0]这 8 个 IO 都 10K 电阻下拉接地，所以我们压根就不需要去关注BOOT_CFG4[7:0]。我们需要重点关注的就只剩下了 BOOT_CFG2[7:0]和 BOOT_CFG1[7:0]这 16 个 IO。

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BOOT_CFG1[7:0]和 BOOT_CFG2[7:0]这 16 个 IO 还能不能在减少呢？我们打开 I.MX6U-ALPHA 开发板的底板原理图，底板上启动设备选择拨码开关原理图如图所示：

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除 了 BOOT_MODE1 和 BOOT_MODE0必须引出来，LCD_DATA3~LCDDATA7、 LCD_DATA11 这 6 个 IO 也被引出来了，可以通过拨码开关来设置其对应的高低电平，拨码开关拨到“ON”就是 1，拨到“OFF”就是 0。其中 LCD_DATA11 就是 BOOT_CFG2[3]， LCD_DATA3~LCD_DATA7 就是BOOT_CFG1[3]~BOOT_CFG1[7]，这 6 个IO 的配置含义如表：

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BOOT IO 含义， I.MX6U-ALPHA 开发板从 SD 卡、 EMMC、 NAND 启动的时候拨码开关各个位设置方式如下表

1 2 3 4 5 6 7 8 启动设备
0 1 x x x x x x 串行下载，可以通过 USB 烧写镜像文件。
1 0 0 0 0 0 1 0 SD 卡启动。
1 0 1 0 0 1 1 0 EMMC 启动。
1 0 0 0 1 0 0 1 NAND FLASH 启动。

doc.embedfire.com/linux/imx6/base/zh/latest/bare_metal/before_developing.html#