AM243x 是TI Sitara產(chǎn)品線推出的高性能MCU+產(chǎn)品，是一種性能強(qiáng)勁的多核異構(gòu)MCU，擁有4顆800MHz 主頻的Cortex R5F核心和1顆400MHz 主頻的Cortex M4F，以及專門針對多協(xié)議工業(yè)通信總線的2個PRU_ICSSG（2× Gigabit Industrial Communication Subsystems）模塊，可以實現(xiàn)Profinet IRT，Profinet RT，EtherNet/IP，EtherCAT等通信方式。

在這類多核異構(gòu)MCU / CPU產(chǎn)品開發(fā)中，由于芯片在電源軌上的復(fù)雜性以及外設(shè)的豐富程度，不可避免的會接觸到系統(tǒng)復(fù)雜的boot環(huán)節(jié)，以及多核調(diào)試帶來的挑戰(zhàn)，本文以AM243x-LP評估板為例，對AM243x的booting相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了初步的介紹，并完整演示了RBL-SBL-APP的整個啟動過程以及程序燒錄的方法。

本文以AM243x多核芯片體系結(jié)構(gòu)為切入點，簡要介紹了AM243x的啟動過程，包括加電順序、引導(dǎo)模式選擇、ROM引導(dǎo)過程、SBL過程、SBL-編譯和SYSFW介紹。以ADC演示為例，結(jié)合AM243x LP評估板，完整演示了RBL->SBL->APP啟動過程，簡要介紹了在UART模式下編程外部OSPI Flash的環(huán)境設(shè)置和操作過程，方便用戶在AM243x芯片上快速啟動應(yīng)用程序開發(fā)。

2.AM243x 上電后的Booting環(huán)節(jié)：

下圖是AM243x完整的boot流程：

ROWER ON -> ROM Bootloader(RBL) -> Secondary Bootloader(SBL) -> Application Binary。 上電后，芯片進(jìn)行內(nèi)部邏輯的初始化，之后先執(zhí)行ROM中的BOOT代碼，再執(zhí)行用戶自定義的二級BOOT代碼，最后執(zhí)行應(yīng)用程序.

Figure 1 BOOT 啟動流程

2.1 上電時序和啟動方式介紹

AM243x 芯片擁有多個電源域，為不同的內(nèi)部邏輯和外設(shè)供電，，下圖是AM243x的上電時序圖，可以在datasheet找到更詳細(xì)的介紹。

Figure 2 Power Sequence

在滿足供電時序的情況下，MCU_PORz信號最終釋放了對內(nèi)核復(fù)位的控制， MCU_PORz的上升沿會鎖存SYS_BOOTMODE[0:15]這些管腳的上下拉狀態(tài)，并由此確定芯片的啟動模式和啟動介質(zhì)，然后由ROM Bootloader來讀取啟動信息。

AM243x 有兩種主要的啟動方式：Host boot modes 和 Memory boot modes。

Host boot modes：MCU從不同的外設(shè)進(jìn)行啟動，比如從UART、Ethernet、USB等接口啟動；

Memory boot modes：MCU從不同的外部存儲介質(zhì)，比如QSPI Flash、I2C EEPROM、SD卡、U盤等存儲器啟動；

注意：AM243x 有Primary Boot和Backup Boot功能，這意味著AM243x在Primary Boot失敗的情況下可以用 Backup Boot 來啟動，這個可以由 BOOTMODE 管腳進(jìn)行設(shè)置。

關(guān)于 BOOTMODE 管腳配置，我們可以看到是由16根信號線組成，其中高兩位為Reserved。其16bit對應(yīng)的是BOOTMODE 00-15這16根信號線，原理圖中對應(yīng)的管腳為GPMC0_AD0 – 15。

Figure 3 BOOTMODE Pin Mapping

PLL Config 針對不同的外部晶振頻率進(jìn)行配置。

Figure 4 PLL Reference Clock Selection

Primary Boot 模式如下：

Figure 5 Primary Boot Mode Selection

Backup Boot 模式如下：（注意Backup模式下可啟動的方式較少）

Figure 6 Backup Mode Selection

注意：由于ROM Code對不同的啟動接口或介質(zhì)使用的管腳是固定的，在設(shè)計的過程中需要注意選擇對應(yīng)的管腳，詳細(xì)的管腳信息可以在Technical Reference Manual中查看。

2.2 ROM啟動過程介紹

AM243x的ROM Code分為兩部分，分別是DMSC ROM code和Public ROM code，這里DMSC的全稱為Device Management Security Controller，內(nèi)部是一個主頻250MHz 的Cortex M3協(xié)處理器， DMSC模塊是芯片啟動的主控制器.

DMSC ROM code：DMSC ROM 的代碼會涉及到以下幾個部分：

設(shè)備管理；

在 BOOT_CFG中配置boot vectors，控制 R5內(nèi)核的reset釋放， 需特別指出，啟動過程中DMSC是R5內(nèi)核的控制者；

通過主DMSS（Data Movement Subsystem）和Secure Proxy進(jìn)行IPC的配置；

對R5內(nèi)核和SA2UL（Security Accelerator）的PLL進(jìn)行配置；

X509認(rèn)證的解析；

SHA512算法對image integrity check的SA2UL配置；

Public ROM code：下圖是Public ROM code的框架。

Figure 7 Public ROM Code Architecture

Main Module是整個Public ROM code的頂層代碼循環(huán)，它可以調(diào)用X509密碼認(rèn)證模塊、Log Trace模塊、System模塊以及外設(shè)驅(qū)動的相關(guān)功能代碼，在這里會重復(fù)執(zhí)行直到MCU接收到完整的boot image，也可以被 DMSC置于sleep模式；

芯片上電后一級啟動過程可以分為三部分：

Hardware 部分：這里主要指電源的上電過程，以及芯片內(nèi)部邏輯的初始化；

DMSC部分：DMSC ROM Code 會首先配置啟動過程中看門狗WDT的溢出時間為180秒，接下來配置MCU PLL，根據(jù)不同Boot Mode進(jìn)行相應(yīng)的Firewall配置，MCU的Secure Proxy/Ring Accelerator，然后DMSC會給MCU發(fā)送Boot Mode Info，最終DMSC釋放R5內(nèi)核的Reset信號，R5內(nèi)核開始工作；

R5 內(nèi)核部分：R5 內(nèi)核拿到DMSC發(fā)送的Boot Device Info（由BOOTMODE管腳的配置決定）后，通過對應(yīng)的Boot模式開始啟動，R5內(nèi)核會請求DMSC對接收到的image代碼進(jìn)行image integrity check，如果成功則繼續(xù)向下執(zhí)行，如果Primary Boot的image無效，R5會切換到Backup Mode 進(jìn)行boot image接收并再次調(diào)用DMSC進(jìn)行image integrity check，這樣重復(fù)執(zhí)行調(diào)用，直到180秒看門狗溢出為止，這時MCU會被復(fù)位，重復(fù)上面的所有流程。

當(dāng)image integrity check成功后，R5內(nèi)核會對Main Domain的PLL進(jìn)行配置，接下來DMSC會停止Clock并且Reset R5，R5在復(fù)位結(jié)束后開始執(zhí)行Boot Image（這里在RAM里面的Boot Image不受R5復(fù)位的影響，處于保持狀態(tài)），整個Boot流程完成，芯片開始二級BOOT流程。

Figure 8 Boot Process

2.3 二級SBL啟動過程介紹

SBL的全稱是Second boot loader，用于完成芯片的一些初始配置，拷貝DMSC的SYSFW到片內(nèi)RAM以及加載多核應(yīng)用代碼。 下圖是一個典型的SBL流程. DMSC模塊會再次啟動WDT看門狗并設(shè)定開門狗溢出時間為180秒。 R5 core 0執(zhí)行SBL代碼，先拷貝FLASH上的DMSC SYSFW到片內(nèi)RAM， DMSC ROM代碼對SYSFW image 進(jìn)行完整性檢查后，將SYSFW加載到DMSC模塊，之后DMSC模塊會跳出DMSC ROM代碼，改為執(zhí)行DMSC SYSFW代碼。 SBL會繼續(xù)加載和解析R5核的應(yīng)用代碼并根據(jù)Image信息設(shè)定啟動地址，完成后會請求DMSC 釋放其他R5核的復(fù)位信號，所有內(nèi)核開始執(zhí)行程序.

Figure 9 SBL Boot Process

3.AM243x-LP 使用介紹：

AM243x-LP評估板提供了豐富的功能和接口，XDS110調(diào)試器也被集成在電路板上面，方便用戶的燒錄調(diào)試，同時USB轉(zhuǎn)UART功能也通過同一USB接口實現(xiàn)，用于串口log信息的打印。

Figure 10 System Architecture

評估板上的另一個USB Type C接口用來供電，整板的電流會在2A左右，這里建議先連接Micro USB，建立串口連接后，然后再連接USB Type C接口。USB Type C的連接線需要使用標(biāo)準(zhǔn)的全功能連接線，否則無法與評估板上的CC邏輯控制器TUSB320LAIRWBR進(jìn)行正常通信，造成輸出電流配置不正常，無法正確對評估板供電。

Figure 11 AM243x-LP Board

正常連接兩根USB線之后，板子上會有4個LED燈點亮，分別是LD6、LD7、LD8和LD11四個綠色LED燈。LD9紅色燈會在USB Type C插入的瞬間亮一次，之后熄滅，如果常亮，則代表供電有問題。

Figure 12 AM243x-LP Board LED Status

在Micro USB線連接后，Windows系統(tǒng)會進(jìn)行XDS110的驅(qū)動安裝（CCS安裝時會自帶驅(qū)動），安裝完成后，會在設(shè)備管理器里面出現(xiàn)兩個對應(yīng)設(shè)備，如下圖。

Figure 13 AM243x-LP Board USB Port

User UART對應(yīng)的是用戶可用的USB轉(zhuǎn)串口打印log的端口，在AM243x-LP評估板中對應(yīng)的是AM243x的MAIN_UART0接口。

下圖是AM243x-LP評估板上的四個按鍵，其功能分別如下：

Figure 14 AM243x-LP Board Push Buttons

在理解這幾種不同的Reset之前，我們先看看AM243x整個芯片構(gòu)成的兩個Domain，分別是MCU Domain和Main Domain，它們分別由下面的子模塊構(gòu)成。

Figure 15 AM243x Power Domain

我們可以看到在不同的Domain里面包含了不同的模塊和外設(shè)，這個就決定了不同Domain對不同外設(shè)和模塊的控制權(quán)。在Reset部分，可以通過不同的Reset源對不同的Domain進(jìn)行獨立控制，也可以通過配置改變其控制Domain的范圍。

MCU_PORz：可以看作整個芯片（MCU+MAIN）的冷啟動復(fù)位，可以進(jìn)行動態(tài)Boot Mode更改而不用斷電；

MCU_RESETz：MCU Domain的熱復(fù)位；

SoC_RESET_REQz： Main Domain的熱復(fù)位；

在AM243x-LP評估板上可以由8位撥碼開關(guān)來更改Boot配置，其中第8位沒有使用，是懸空狀態(tài)，下面的表格列出了這7位配置對應(yīng)的Boot Mode情況。

Figure 16 AM243x LP Boot Mode Selection Table

其中常用的三種模式如下圖所示：

Figure 17-1 AM243x LP Boot Mode Switch

關(guān)于 Backup Boot Mode，在AM243x-LP是默認(rèn)配置為NONE模式（BOOTMODE13:10 = x 0 0 0），這里暫時不用關(guān)心。

Figure 17-2 AM243x LP Boot Mode Switch (Backup Mode Configuration)

可以在斷電狀態(tài)下更改撥碼開關(guān)的配置，然后重新上電?；蛘咴谕姷那闆r下改變撥碼開關(guān)，然后用SW1按鈕實現(xiàn)MCU_PORz冷復(fù)位以使得新的Boot Mode生效。

4. SDK 例程中 SBL 的介紹：

如果要對 SDK 中的 SBL 程序在CCS中進(jìn)行編譯，需要額外安裝OpenSSL，可以在下面的地址下載light版本，

https://slproweb.com/download/Win64OpenSSL_Light-3_0_0.exe

在安裝的過程中，注意選擇 The Windows system directory選項。

Figure 18 OpenSSL Installation

安裝完成后，需要在windows系統(tǒng)的Path變量中加入下面的路徑。

C:Program FilesOpenSSL-Win64bin

完成后，即可導(dǎo)入C:timcu_plus_sdk_am243x_0x_xx_xx_xxexamplesdriversboot 中的例程，并進(jìn)行編譯。這里我們導(dǎo)入的是 sbl_ospi 這個文件夾內(nèi)的工程。

Figure 19 SBL Boot Project

SBL NULL：這個SBL只做了MCU的初始化并且把內(nèi)核至于WFI模式（Wait For Interrupt）；

SBL OSPI：初始化MCU并且從OSPI Flash 的 0x80000地址讀取并啟動多核appimage代碼；

SBL OSPI Multi-Partition：初始化MCU并且從OSPI Flash 不同的偏移地址讀取各個內(nèi)核的代碼；

SBL UART：初始化MCU并且從UART通過Xmodem協(xié)議讀取并啟動多核appimage代碼；

SBL UART Uniflash：配合py腳本的flash writer程序，用來燒錄OSPI Flash；

4.1 SBL boot image 創(chuàng)建

SBL 與一般的應(yīng)用程序類似，可以通過CCS來創(chuàng)建并編譯，在從 .out文件到boot image的轉(zhuǎn)化過程，其詳細(xì)情況如下：

雖然SBL工程與應(yīng)用程序類似，但SBL 的入口地址與用戶應(yīng)用程序的入口地址有所不同。在AM243x 的 ROM code 會把程序的入口地址同時配置給 both R5FSS0-0 和R5FSS0-1兩個內(nèi)核。 考慮到SBL只運行在R5SS0-0上，我們需要把R5FSS0-1置于WFI模式，只運行R5FSS0-0內(nèi)核，這個操作可以通過增加link參數(shù) -e_vectors_sbl來實現(xiàn)。

Figure 20 AM243x Link Command

在進(jìn)入main()函數(shù)之后，首先必須調(diào)用Bootloader_socLoadSysFw來加載 SYSFW 到 DMSC 的Cortex M3內(nèi)核，進(jìn)行 board config 操作。

備注：SYSFW默認(rèn)以 .h 頭文件的形式被編譯鏈接到SBL，啟動過程中會發(fā)送到DMSC內(nèi)核的專有RAM區(qū)域，SYSFW的文件內(nèi)容在 C:timcu_plus_sdk_am243x_0x_xx_xx_xxsourcedriverssciclientsocam64x_am243x sysfw_signed.h 里面。

Figure 21 Bootloader_socLoadSysFw

在SBL里，vectors默認(rèn)被鏈接到0x7000000，而且SBL中不能使用ATCM（A Tightly-Coupled Memory）和BTCM（B Tightly-Coupled Memory）的地址空間，SBL 只能使用 0x70000000到0x70080000這個地址范圍的空間，包含code、data、stack之類。

在編譯后，SBL的 .out 文件會通過GCC的objcopy轉(zhuǎn)換成 .bin 文件，接下來會通過 Signing Scripts 簽名生成可啟動的 .tiimage 文件，在這里會使用一個默認(rèn)的key來簽名，即使是非安全啟動MCU芯片也需要走這個流程。這個 Signing Script 會用到前面安裝的 OpenSSL。

RBL在加載SBL的時候是需要SBL為被簽名的格式，可以通過下面的命令來對SBL進(jìn)行簽名。

cd C:timcu_plus_sdk_am243x_0x_xx_xx_xxtoolsbootsigning

.x509CertificateGen.ps1 -b {BOOTIMAGE_BIN_NAME} -o {BOOTIMAGE_NAME} -c R5 -l 0x70000000 -k rom_degenerateKey.pem -d DEBUG -j DBG_FULL_ENABLE -m SPLIT_MODE

這里我們用一個例程生成的bin文件來演示一下，首先拷貝CCS生成的bin文件到C:timcu_plus_sdk_am243x_0x_xx_xx_xxtoolsbootsigning，方便命令行下操作。

Figure 22 Signing Files Folder

注意：這里要用到 Windows 10下面的Powershell命令行環(huán)境，在開始菜單輸入Powershell并執(zhí)行，即可進(jìn)入界面，公司的電腦有可能對Powershell的執(zhí)行權(quán)限有限制，這個在執(zhí)行的時候會提示。

.x509CertificateGen.ps1 -b sbl_ospi_am243x-lp_r5fss0-0_nortos_ti-arm-clang.bin -o sbl_ospi_am243x-lp.tiimage -c R5 -l 0x70000000 -k rom_degenerateKey.pem -d DEBUG -j DBG_FULL_ENABLE -m SPLIT_MODE

至此，我們在這里可以看到最終生成的可以用來啟動的SBL的 tiimage 文件。

Figure 23 Powershell console command execution

Figure 24 Signing result of tiimage

5. SBL 燒錄并引導(dǎo)應(yīng)用程序運行：

下面我們快速驗證一下SBL配合用戶應(yīng)用程序進(jìn)行boot并運行的情況。

5.1 安裝Phython 腳本

板載外部QSPI Flash需要通過python腳本進(jìn)行燒錄，所需的Python 3 環(huán)境下載地址如下。

https://www.python.org/downloads/windows/

注意安裝Python的時候需要選擇把Python的路徑加入到系統(tǒng)路徑，安裝完成后可以在CMD Console下驗證是否安裝成功。

Figure 25 Python Installation

Figure 26 Python Environment Check

接下來需要執(zhí)行下面的命令安裝與串口下載相關(guān)的組件，注意需要在管理員模式打開cmd窗口。

pip install --upgrade pip

pip install pyserial xmodem tqdm

Figure 27 Python toolset installation

5.2 生成應(yīng)用代碼Image

打開 CCS后，導(dǎo)入SDK的ADC驅(qū)動例程，路徑如下。

C:timcu_plus_sdk_am243x_0x_xx_xx_xxexamplesdriversadcadc_singleshotam243x-lpr5fss0-0_freertos

Figure 28 Import SDK ADC example into CCS

Figure 29 Confirm the example import

Figure 30 Build the example

編譯完工程后，我們可以看到生成的相關(guān)文件，其中.appimage是應(yīng)用程序要燒錄到外部 SPI Flash的文件。

5.3 使用UART 啟動模式燒錄OSPI SBL文件和應(yīng)用代碼Image

接下來的燒錄操作需要在windows的command console里操作，為了方便這個流程，我們可以利用bat文件來直接執(zhí)行，提高效率。

在ccs的workspace目錄中adc_singleshot_am243x-lp_r5fss0-0_freertos_ti-arm-clang工程目錄下，我們新建一個文件夾，暫且命名為AM243xProgFlash，如下圖：

Figure 31 UART programing script files

在這個文件夾里面，@Prog-Boot+App.bat 是手工創(chuàng)建的，里面執(zhí)行了簡單的python命令，sbl_ospi.release.tiimage、sbl_uart_uniflash.release.tiimag是從 C:timcu_plus_sdk_am243x_0x_xx_xx_xxtoolsbootsbl_prebuiltam243x-lp 這個路徑拷貝過來的。

其中sbl_ospi.release.tiimage 也可以使用上面我們編譯成功的 sbl_ospi 工程的 tiimage 文件。uart_uniflash.py 從C:timcu_plus_sdk_am243x_0x_xx_xx_xxtoolsboot 拷貝過來。ospi_sbl+app.cfg 是根據(jù) C:timcu_plus_sdk_am243x_0x_xx_xx_xxtoolsbootsbl_prebuiltam243x-lpdefault_sbl_ospi.cfg 文件修改的。

下面是 @Prog-Boot+App.bat和 ospi_sbl+app.cfg 兩個文件的內(nèi)容。

@Prog-Boot+App.bat 文件：這里需要注意 COM17 根據(jù)自己的情況來修改PC端燒錄端口。

@echo off

echo+

echo+

echo **********************************************************************

echo Start to Program "QSPI Bootloader" and "App Image" to QSPI Flash......

echo **********************************************************************

echo+

echo+

python uart_uniflash.py -p COM17 --cfg= ospi_sbl+app.cfg

echo+

echo+

echo ******** Finished!!! ********

echo+

echo+

pause

ospi_sbl+app.cfg 文件：這里注意黃色標(biāo)識部分的路徑和文件名。

#-----------------------------------------------------------------------------#

# #

# DEFAULT CONFIGURATION FILE TO BE USED WITH THE FLASHWRITER SCRIPT #

# #

#-----------------------------------------------------------------------------#

#

# By default this config file,

# - points to pre-built flash writer, bootloader for this LP

# - The application image points to relative path of the ipc echo application image for this LP

# - Make sure this application is built before running this script

# - You can customized this config file to point to your own bootloader and/or application images

# - You can use --operation=flashverify if you just want to verify the flash contents and not flash the file.

#

# First point to sbl_uart_uniflash binary, which function's as a server to flash one or more files

--flash-writer=sbl_uart_uniflash.release.tiimage

# Now send one or more files to flash or flashverify as needed. The order of sending files does not matter

# Program the OSPI PHY tuning attack vector

--operation=flash-phy-tuning-data

# When sending bootloader make sure to flash at offset 0x0. ROM expects bootloader at offset 0x0

--file=sbl_ospi.release.tiimage --operation=flash --flash-offset=0x0

# When sending application image, make sure to flash at offset 0x80000 (default) or to whatever offset your bootloader is configured for

--file=../Debug/adc_singleshot_am243x-lp_r5fss0-0_freertos_ti-arm-clang.appimage --operation=flash --flash-offset=0x80000

# send the XIP image for this application, no need to specify flash offset since flash offset is specified within the image itself

#--file=../Debug/adc_singleshot_am243x-lp_r5fss0-0_freertos_ti-arm-clang.appimage_xip --operation=flash-xip

準(zhǔn)備好這些文件后，把AM243x-LP配置為UART boot后上電，雙擊執(zhí)行@Prog-Boot+App.bat即可燒錄。

Figure 32 UART Programing Result

5.4 使用UART 啟動模式燒錄QPSI SBL文件和應(yīng)用代碼Image

燒錄完成后，切換AM243x-LP為 QSPI BOOT 模式，用按鍵SW1 MCU_PORZ復(fù)位系統(tǒng)，可以看到串口輸出的信息，這里可以看到OSPI Bootloader 的信息和 ADC demo 的信息輸出，到此完成了 RBL-SBL-APP 的啟動過程。

Figure 33 ADC Program Running Result

6. 總 結(jié)：

由于此類多核異構(gòu)MCU的構(gòu)架與通用MCU的構(gòu)架差異較大，在啟動和調(diào)試帶來的挑戰(zhàn)也是顯而易見的。本文以AM243x的芯片構(gòu)架為切入點，簡要的介紹了AM243x的啟動流程以及涉及到的SBL相關(guān)內(nèi)容，以ADC demo為例，結(jié)合AM243x-LP評估板，完整演示了RBL-SBL-APP 的啟動過程，簡要介紹了 UART 模式燒錄外部OSPI Flash的環(huán)境搭建和操作流程，方便用戶快速進(jìn)入AM243x 芯片的應(yīng)用開發(fā)。