恩智浦i.MX RT1060/1010上串行NOR Flash冗余程序启动设计

 

工业产品设计里经常会有冗余程序/备份程序设计的需求，因为在工业环境里要求设备能够持续稳定运行，不能轻易宕机，但现实环境中常常有各种意外发生，其中一个常见的意外就是设备主控MCU程序被破坏。

为了降低程序损坏这种意外带来的影响，一个很典型的做法就是增加MCU程序的份数，第一份被破坏，就启动第二份...，用程序数量的增加来降低启动失败率，这属于概率学手段范畴。

我们知道恩智浦i.MX RT系列MCU内部没有非易失性存储器，它需要搭配外部存储器来工作，可选存储器类型非常多：NOR Flash, NAND Flash, eMMC, SD卡都行。

其中对于NAND型存储器，冗余程序设计是必备的，因为NAND本身允许坏块现象存在，所以不得不做冗余设计。而对于NOR型存储器，冗余设计则不是必需的，偏偏串行NOR Flash是i.MX RT最常用的搭档，那该怎么办？别急，今天痞子衡介绍的就是i.MX RT1010/1060上串行NOR Flash冗余程序设计，恩智浦已经都给你考虑到了。

注：本文所涉及的串行NOR Flash冗余程序设计，不支持早期的i.MX RT1050/1020/1015型号。

一、初识冗余程序启动

在i.MX RT上可以挂载串行NOR Flash去启动程序的外设有两个，分别是FlexSPI和 LPSPI，如下图所示。

注：并不是所有 i.MXRT 型号都支持 LPSPI 外设挂载存储器去启动。

其中连接在FlexSPI 上的 Flash A 属于主启动设备，连接在LPSPI上的Flash B属于备份启动设备（关于备份设备启动详见痞子衡旧文《从Serial(1-bit SPI) EEPROM/NOR恢复启动》）。

用两片NOR Flash去完成冗余程序设计当然是没问题，但也相应增加了硬件成本，而本文今天要讨论得不是这种冗余程序设计，我们要聊的是在一片挂载在FlexSPI上的串行 NOR Flash里做冗余程序设计，就是图中的image 0和image 1。

冗余程序启动流程其实特别简单，上电永远先启动物理地址靠前的image 0，如果 image 0被破坏了，则启动image 1。原则上image 0和image 1应该是完全一样的（链接地址也一样，并且中途不需要搬移这两份image数据，这个是靠芯片里的一个黑科技做到的，下文会细讲），毕竟是冗余设计，不过你要执意放两份不完全一样的image，倒也没问题。

二、实测冗余程序启动

我们知道i.MX RT芯片上电总是先运行厂商固化好的BootROM，所以冗余程序启动设计是做在BootROM代码里的。之前有一篇旧文 《了解i.MXRT1060系列ROM中串行NOR Flash启动初始化流程优化点》中2.1 节其实已经简单地提到了冗余程序设计，其主要借助了芯片系统FlexSPI地址重映射(Remap)功能，这个功能是在恩智浦后期推出的 i.MX RT1060/1010 等型号上才有的，这也是上文所说的黑科技。关于这个黑科技，痞子衡也有旧文《利用i.MXRT1060,1010上新增的FlexSPI地址重映射(Remap)功能可安全OTA》。

有了FlexSPI Remap黑科技存在，我们就可以将同一份image binary放在Flash中两个不同位置，并且不用做擦除编程操作来交换其位置，就可以实现各自的启动执行。如果没有这个黑科技，我们只能老老实实做数据搬移，这会增加擦除次数从而影响Flash使用寿命。

原理搞清楚了，现在我们在板子上实测一下这个功能，看看如何正确地放两份image进Flash，哪些情况会导致image 0启动失败从而去启动image 1。

我们就以恩智浦官方MIMXRT1060-EVK开发板为例，这个板子FlexSPI1上挂了两片 Flash，默认连接的8MB QuadSPI Flash，还有一片64MB HyperFlash（需要做板子改动才能使能）：

2.1 使能冗余程序启动

使能冗余程序启动特性很简单，就是将fuse 0x6E0[23:16] - FLEXSPI_NOR_SEC_IMAGE_OFFSET烧录为非0值即可，根据下面定义，第二份image 偏移地址最大可以设到Flash中0x3FC0000（63.75MB）处：

Remap功能的ADDR_START寄存器固定设为Flash 起始映射地址。

fuse 0x6e0[15:13] - xSPI_FLASH_IMAGE_SIZE，App的最大长度，标识了第一份App的结束地址，该值加上ADDR_START后被填入Remap功能的ADDR_END寄存器。

fuse 0x6e0[23:16] - FLEXSPI_NOR_SEC_IMAGE_OFFSET，标识了第二份App的起始地址（在Flash中偏移位置），即填入Remap功能的ADDR_OFFSET寄存器的值。

本次测试，我们就将FLEXSPI_NOR_SEC_IMAGE_OFFSET烧录为0x10，xSPI_FLASH_IMAGE_SIZE保持默认0，即第二份image 偏移地址在Flash 0x400000（4MB）处，最大image长度也是4MB，可借助MCUBootUtility工具完成Fuse烧录：

2.2 下载两份无签名image进Flash

现在开始准备image，我们就直接用SDK_2.10.1_EVK-MIMXRT1060boardsevkmimxrt1060demo_appsled_blinky例程，简单直观。为了便于肉眼分辨效果，我们生成两个稍微不一样的image，闪灯间隔时间一个是200ms（image 0 - iled_blinky_delay200ms.bin），另一个是2s（image 1 - iled_blinky_delay2s.bin）：

然后还是借助MCUBootUtility工具，先使用All-In-One操作将image 0下载进Flash，因为是bin文件，所以我们要填入正确的链接起始地址（对于i.MX RT1060就是 0x60000000；对于i.MX RT1010应该是0x60000400，具体查看工程链接文件便知）。

此外我们使用的是完整的可启动镜像文件（包含了全部所需启动头），也可以直接在软件通用编程器界面做下载。

image0下载进Flash后，继续下载image 1，这时候只能在软件通用编程器界面操作。这里主要是设置好下载起始地址，前面我们使能冗余程序启动时在Fuse里设置的偏移地址是0x400000，那么此时下载起始地址就应该是0x400000（对于i.MX RT1060是0x400000；对于i.MX RT1010应该是0x400400）。至此两份image下载就完成了。

2.3 快速验证两份image正确性

现在Flash里有了两份image，我们来做一个快速验证，看看image是不是放得符合冗余程序启动的要求。对于image 0，没什么好说的，芯片启动模式设为2'b10 后断电复位应该可以看到image 0在执行，最重要的是验证image 1是不是合法。

这里开始涉及到芯片冗余程序启动流程核心了，当image 0启动失败后，芯片BootROM不是立刻去执行image 1的，它用了一个取巧的方式，在一个软复位不置位的寄存器里（SRC_GPR10）标记了当前状态，然后调用NVIC_SystemReset()重新进入BootROM执行，第二次BootROM执行时才会去启动image 1。

所以这也给了我们快速验证image 1执行的可能性，我们在板子上挂上J-Link仿真器，然后打开J-Link Commander，直接将SRC_GPR10寄存器改写为0x40000000，再依次执行reset和go命令，这时你应该可以看到image 1正在执行了。

2.4 测试无签名 image 0 损坏条件

痞子衡之前在 《i.MXRT Bootable image格式》一文里介绍过一个可启动image包含哪些组成部分，其中最简单的无签名image应该至少包含FDCB, IVT, BD, App四部分，芯片BootROM也是按序读取这四部分数据完成程序启动的。

现在我们尝试分别破坏这几个组成部分来看看何种程度的image 0损坏能被BootROM识别出从而去启动image 1，下面是测试结果。从测试结果来看，除了Image 0 - App的损坏无法检测外，image 0其余启动头的损坏都可以被BootROM识别到。

2.5 能检测image 0 app损坏的方法

如果不能检测image app部分的损坏，那这个冗余程序启动功能就比较鸡肋了，毕竟app部分的数据才是整个image核心所在。如果要加上app损坏检测，需要使能i.MX RT 签名启动，还是可以借助MCUBootUtility工具完成全部流程，下载两份含签名的image进Flash的过程跟2.2节基本差不多，只是Secure Boot Type里需要选择 "HAB Signed Image Boot"，含签名的image 0下载没什么好说的，All-In-One操作全搞定，含签名的image 1数据可以通过在通用编程器界面里将含签名的image 0数据全部读回得到，这个具体操作就不详细展开了。

含签名image 0相比无签名image 0多了HABdata(csf,cert,signature) 数据段，BootROM在跳转image之前会根据HAB data数据对image进行验签，验签通过才做跳转。

此时再做一次破坏实验，结果如下，显然加了签名的image 0其完整性就有保证了，这时的冗余程序启动设计才能发挥出最大效果。

来源：恩智浦MCU加油站（作者： 痞子衡）
 

　　审核编辑：汤梓红