通用MCU Bootloader-KBOOT的配置選項

KBOOT 是支持配置功能的，配置功能可分為兩方面：一、芯片系統(tǒng)的啟動配置；二、KBOOT 特性配置；痞子衡在前一篇文章里介紹了 KBOOT 形態(tài)(ROM/Bootloader/Flashloader)，雖然 KBOOT 有三種形態(tài)，但實際上只有 2 種類型的芯片載體，即含 ROM 空間的芯片（比如 Kinetis K80）和不含 ROM 空間的芯片（比如 Kinetis KL25），KBOOT 配置在這兩種載體上是有區(qū)別的，下面痞子衡為大家詳解 KBOOT 配置：

一、啟動配置：FTFx_FOPT, BOOT Pin, RCM_FM

芯片系統(tǒng)的啟動配置主要決定的是芯片上電從哪里（ROM/Flash）開始啟動，所以這個啟動配置對于含 ROM 空間的芯片特別重要，而不適用于不含 ROM 空間的芯片。

1.1 啟動方式選擇 Flash Configuration Field - FOPT

熟悉 Kinetis 芯片的朋友肯定知道，Kinetis 芯片都是含內(nèi)部 Flash 的，內(nèi)部 Flash 起始地址一般是 0x00000000，F(xiàn)lash 操作是通過 FTFx 這個 IP 模塊實現(xiàn)的，如果你對 FTFx 模塊了解的話，這個 IP 模塊內(nèi)部其實有一些寄存器屬性是 readonly 的，并且從手冊里看這些 readonly 寄存器的初值是 undefined，截取 K80 芯片 FTFA 模塊中這些 readonly 寄存器如下：

既然這些寄存器是 readonly 屬性并且初值又是 undefined 的，那么其初值到底取決于什么？這里就涉及到 Kinetis 芯片中比較特別的 FCF 加載機制，F(xiàn)CF 即 Flash Configuration Field，其區(qū)域地址為 Flash 偏移 0x400 - 0x40f，一共 16 個 bytes，這 16bytes 內(nèi)容組織如下：

任何一次熱啟動后，芯片系統(tǒng)會自動從 FCF 區(qū)域加載初值進 FTFx 相應(yīng)寄存器中，我們主要關(guān)注的是跟啟動配置相關(guān)的 FTFx_FOPT 寄存器（特別注意，當 FCF 中對應(yīng) FOPT 的值是無效值 0x00 時，在加載過程中芯片自動會給 FOPT 賦值 0xFF），下面是 FTFx_FOPT 寄存器的 bit 定義，其中 BOOTSRC_SEL 和 BOOTPIN_OPT 位是關(guān)鍵（注意這兩個位在不含 ROM 空間的芯片上是 reserved 的）。

BOOTSRC_SEL 和 BOOTPIN_OPT 的值共同決定了芯片的啟動位置（ROM/Flash）：

BOOTPIN_OPT = 1: 啟動位置完全由 BOOTSRC_SEL 決定。

BOOTPIN_OPT = 0: 啟動位置由 BOOTSRC_SEL 和 BOOTCFG0 pin 共同決定。
　　

因此當在 FCF 里指定 FOPT 為 0xFF 時，芯片上電永遠從 ROM 啟動；當在 FCF 里指定 FOPT 為 0x3F 時，芯片上電永遠從 Flash 啟動。

1.2 啟動位置切換 BOOT Pin

在 1.1 節(jié)的最后痞子衡提到了 BOOTCFG0 pin，其實 BOOTCFG0 pin 對于含 ROM 空間芯片而言就是 BOOT Pin，這個 BOOT Pin 是芯片系統(tǒng)直接指定的，與 NMI pin 復用（在上電以及 ROM 執(zhí)行過程中，NMI pin 原本中斷功能是被屏蔽的）。
　　

你一定會疑惑 BOOT pin 有什么用？讓我們再回到 1.1 節(jié)的最后，0x3F 和 0xFF 是兩種比較典型的 FOPT 啟動配置值，但是這種配置值指定的是固定啟動位置，除非你擦除 FCF 重新燒寫，不然無法輕易改變啟動位置。但是有的時候我們想在不擦除 FCF 情況下自由切換啟動位置 ROM/Flash，這時候就得依靠 BOOT Pin，此時我們需要在 FCF 里指定 FOPT 為 0x3D，讓我們結(jié)合下面的 TWR-K80F150M 原理圖來說明：

在上述 TWR-K80F150M 原理圖中，我們可以看到兩個按鍵開關(guān)（SW2,SW1）分別連到了 K80 芯片的 NMI_b pin 和 RESET_b pin，當我們配置 FOPT 為 0x3D 時，即啟動位置由 BOOTSRC_SEL（2'b00，即從 Flash 啟動）和 BOOTCFG0（NMI）共同決定，如果在 RESET_b pin（SW1）按下復位過程中，BOOTCFG0 pin（SW2）一直被按下，那么芯片會從 ROM 啟動（并且超時也不會跳轉(zhuǎn)到 Application）；而如果 BOOTCFG0 pin（SW2）沒有被按下，那么芯片會從 Flash 啟動。是不是瞬間覺得這樣切換啟動位置很方便！
　　

其實 BOOT Pin 設(shè)計不僅僅只在含 ROM 空間的芯片上存在，在不含 ROM 空間的芯片上也支持，只不過在不含 ROM 空間的芯片上，BOOT Pin 是由 Bootloader 代碼指定的（需要查看芯片手冊 Bootloader 章節(jié)或源代碼），我們知道當芯片不含 ROM 時，上電默認從 Flash 起始地址處啟動，而 Flash 起始地址已被 Flash-Resident Bootloader 占據(jù)，所以上電永遠執(zhí)行 Flash-Resident Bootloader，此時 BOOT Pin 的意義主要是決定是否要超時跳轉(zhuǎn)到 Application，如果 BOOT Pin 在 RESET_b pin 按下復位過程中一直被按下，那么芯片將會一直停留在 Bootloader 中；如果 BOOT Pin 沒有被按下，那么芯片在執(zhí)行 Bootloader 超時時間到了之后會跳轉(zhuǎn)到 Application。

1.3 強制從 ROM 熱啟動 RCM_FM

我們知道芯片復位啟動分為冷啟動（POR Pin）和熱啟動（RESET_b Pin），冷啟動是最為徹底的啟動（所有寄存器初值全部重置），而熱啟動并不是徹底啟動（有些寄存器初值不會重置），RCM 模塊里有 1 個寄存器（RCM_FM）就只有冷啟動才能被重置，而且這個寄存器與從 ROM 啟動息息相關(guān)，不得不提。下面是 RCM_FM 和 RCM_MR 寄存器的 bit 定義：

上述兩個寄存器只在含 ROM 空間的芯片上存在，其作用是為了保證 ROM 在執(zhí)行期間即使不小心發(fā)生熱啟動，下一次還是會強制執(zhí)行 ROM 程序，而不受 FOPT, BOOT Pin 狀態(tài)變化影響。ROM 程序里操作 RCM_FM/MR 寄存器使能了這一強制 ROM 啟動功能，具體代碼如下：

// ROM statrup 過程中調(diào)用的函數(shù)
void SystemInit (void)
{
? ? // ...

? ? // Set Force ROM bits in RCM. We only set bit 2, so the RCM_MR register doesn't
? ? // falsely show that the ROM was booted via boot pin assertion.
? ? RCM->FM = RCM_FM_FORCEROM(2);

? ? // ...
}

// ROM 跳轉(zhuǎn)到 Application 之前調(diào)用的函數(shù)
void shutdown_cleanup(bool isShutdown)
{
? ? // ...

? ? // Disable force ROM.
? ? RCM->FM = RCM_FM_FORCEROM(0);

? ? // Clear status register (bits are w1c).
? ? RCM->MR = RCM_MR_BOOTROM(3);

? ? // ...
}
　　

因為 ROM 里有了上述代碼，所以只要芯片上電執(zhí)行過 ROM 程序，除非是 ROM 主動跳轉(zhuǎn)到了 Application 或者發(fā)生了冷啟動，否則任何與 ROM 有關(guān)的配置修改操作都不會影響到下一次啟動 ROM 的執(zhí)行，這種機制可以確保 Application 一定會被 ROM 下載進 Flash。

二、特性配置：BCA

除了啟動配置外，KBOOT 還支持特性配置，我們知道 KBOOT 提供的特性功能非常多，比如支持的外設(shè)種類豐富、超時時間可設(shè)、Application 完整性校驗、USB ID 可設(shè)、運行時鐘可配、加密特性支持、QSPI 啟動支持，這些特性可以通過 BCA 來配置，BCA 是 Bootloader Configuration Area 的簡稱，KBOOT 通過從 BCA 區(qū)域加載用戶配置數(shù)據(jù)完成這些特性配置。BCA 配置結(jié)構(gòu)體原型如下（以 K80 芯片為例）：

//! @brief Format of bootloader configuration data on Flash.
typedef struct BootloaderConfigurationData
{
? ? uint32_t tag; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//!< [00:03] Tag value used to validate the BCA data. Must be set to 'kcfg'.
? ? uint32_t crcStartAddress; ? ? ? ? ? ? ?//!< [04:07]
? ? uint32_t crcByteCount; ? ? ? ? ? ? ? ? //!< [08:0b]
? ? uint32_t crcExpectedValue; ? ? ? ? ? ? //!< [0c:0f]
? ? uint8_t enabledPeripherals; ? ? ? ? ? ?//!< [10:10]
? ? uint8_t i2cSlaveAddress; ? ? ? ? ? ? ? //!< [11:11]
? ? uint16_t peripheralDetectionTimeoutMs; //!< [12:13] Timeout in milliseconds for peripheral detection before jumping to application code
? ? uint16_t usbVid; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //!< [14:15]
? ? uint16_t usbPid; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //!< [16:17]
? ? uint32_t usbStringsPointer; ? ? ? ? ? ?//!< [18:1b]
? ? uint8_t clockFlags; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//!< [1c:1c] High Speed and other clock options
? ? uint8_t clockDivider; ? ? ? ? ? ? ? ? ?//!< [1d:1d] One's complement of clock divider, zero divider is divide by 1
? ? uint8_t bootFlags; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //!< [1e:1e] One's complemnt of direct boot flag, 0xFE represents direct boot
? ? uint8_t pad0; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//!< [1f:1f] One's complemnt of direct boot flag, 0xFE represents direct boot
? ? uint32_t mmcauConfigPointer; ? ? ? ? ? //!< [20:23] Holds a pointer value to the MMCAU configuration
? ? uint32_t keyBlobPointer; ? ? ? ? ? ? ? //!< [24:27] Holds a pointer value to the key blob array used to configure OTFAD
? ? uint8_t reserved[8]; ? ? ? ? ? ? ? ? ? //!< [28:2f] Reserved.
? ? uint32_t qspi_config_block_pointer; ? ?//!< [30:33] QSPI config block pointer.
} bootloader_configuration_data_t;
　　

如果你想配置 KBOOT 的特性，必須按上述結(jié)構(gòu)體格式準備好配置數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)值所代表含義請查看芯片手冊 Bootloader 章節(jié)，痞子衡在后續(xù)文章里也會慢慢講到。此處假設(shè)你已經(jīng)準備好了 BCA 數(shù)據(jù)，那么這個 BCA 數(shù)據(jù)應(yīng)該放在哪里呢？其實 KBOOT 已經(jīng)指定好了 BCA 位置，見如下代碼，BCA 起始地址固定在 APP_VECTOR_TABLE 地址偏移 0x3c0 處，對于 ROM Bootloader 而言，BCA 地址就是 0x3c0，因為 APP_VECTOR_TABLE=0；而對于 Flash-Resident Bootloader 而言，BCA 地址是 Bootloader 指定的 Application 起始地址偏移 0x3c0 處。

//! @brief Flash constants.
enum _flash_constants
{
? ? //! @brief The bootloader configuration data location .
? ? //!
? ? //! A User Application should populate a BootloaderConfigurationData
? ? //! struct at 0x3c0 from the beginning of the application image which must
? ? //! be the User Application vector table for the flash-resident bootloader
? ? //! collaboration.
? ? kBootloaderConfigAreaAddress = (uint32_t)(APP_VECTOR_TABLE) + 0x3c0
};
　　

最后再解釋一下 BCA 地址為何是 APP_VECTOR_TABLE + 0x3c0，我們知道 ARM Cortex-M 系統(tǒng)規(guī)定 Application 前 1KB（0x0 - 0x3FF）應(yīng)放中斷向量表，Cortex-M 最大支持 256 個中斷，其中前 16 個是系統(tǒng)中斷，后 240 個是外設(shè)中斷，而 Cortex-M 廠商生產(chǎn)的芯片一般用不滿 240 個外設(shè)中斷，所以其實中斷向量表后半部分其實是 reserved 的，因此我們可以把 reserved 區(qū)域里的 0x3C0 - 0x3FF 這 64bytes 用作 BCA 配置。