大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家分享的是深入i.MXRT1050系列ROM中串行NOR Flash啟動初始化流程。

從外部串行NOR Flash啟動問題是i.MXRT系列開發最高頻的話題，無論是開發調試XIP應用程序階段還是最終產品量產階段都繞不開NOR Flash選型以及為它設計一個匹配的FDCB配置塊。

實際開發過程中，影響串行NOR Flash正常下載/啟動的因素有很多，當然這都是出了問題，具體調試分析才定位出來的，顯然還有很多未知因素等待陸續被發掘。

如果總是被動去解決問題，那問題是解不完的。不如我們主動出擊，摸清i.MXRT啟動串行NOR Flash設備到底是怎樣的初始化流程，搞清這個流程，將來定位啟動問題才能游刃有余，話不多說，開始今天的主題。

備注：本文主角是i.MXRT1050，但內容也同樣適用i.MXRT1020/1015，對于i.MXRT1010也算適用但有兩處微小差別（冗余App啟動支持，Flash上電等待時間處理）。

一、整體初始化流程

我們知道外部串行NOR Flash是接到i.MXRT的FlexSPI外設引腳上，有時串行NOR Flash啟動也叫FlexSPI NOR啟動。關于FlexSPI NOR啟動流程，i.MXRT1050參考手冊System Boot章節有如下流圖，藍框之外的流程屬于常規i.MXRT啟動XIP App流程，是個通用流程。藍框之內才是具體FlexSPI初始化步驟，這個步驟概括得比較精煉。

為了讓大家對FlexSPI NOR設備啟動初始化流程有個更具體的概念，痞子衡重新畫了一張更詳細的流程圖，圖中灰底框里描述得是FlexSPI初始化流程，痞子衡將其分解成了六步，我們有必要深入這六步初始化流程。

二、分解初始化流程

2.1 復位Flash芯片（可選）

第一步是嘗試復位Flash芯片，這步是可選的，在fuse_0x6e0[7]里配置，默認是不使能的。復位Flash目的是為了讓Flash處于一個確定的初始狀態，方便i.MXRT BootROM去配置訪問。為什么要強調Flash的初始狀態，因為很多時候i.MXRT未必是冷啟動（上電啟動），也有可能是軟復位啟動（比如調用NVIC_SystemReset），這時候外部Flash已經被軟復位前執行過的BootROM甚至用戶App配置過，因此Flash的狀態可能不是上電初始狀態（一般來說板級設計里Flash的RESET#引腳要么懸空，要么連接i.MXRT的POR#引腳），這可能會影響軟復位后BootROM去再次配置啟動這塊不定態的Flash。

fuse 0x6e0[7] - FLEXSPI_RESET_PIN_EN

正常的Flash都提供了RESET#引腳來實現跟上電復位一樣的功能，對于普通8-pin的QSPI Flash，這個RESET#引腳往往是跟信號線IO3復用的（僅在QE bit沒使能情況下有效），而對于16-pin的QSPI Flash或者HyperFlash，其RESET#引腳都是獨立的。

BootROM就是借助了Flash的RESET#引腳來實現的復位操作，實現代碼比較簡單，i.MXRT1050 BootROM直接指定了GPIO1[9]當做復位信號線，板級設計里需要你將GPIO1[9]連到Flash的RESET#引腳，然后BootROM就是簡單地拉低GPIO1[9]即可。RESET#信號都是低電平有效，BootROM直接拉低這個信號持續250us，這個低電平持續時間對于復位來說是夠夠的，很多Flash數據手冊里其實僅要求幾us即可。

備注：對于BootROM的Flash復位功能來說，主要適用有獨立RESET#引腳的Flash。

#define RESET_PAD_IDX       kIOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO_AD_B0_09
#define RESET_PIN_MUX       IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_MUX_MODE(5)
#define RESET_PIN_GPIO      GPIO1
#define RESET_PIN_INDEX     9

if ((OCOTP->MISC_CONF1 & 0x80) >> 7)
{
    // Set pinmux as GPIO
    IOMUXC->SW_MUX_CTL_PAD[RESET_PAD_IDX] = RESET_PIN_MUX;
    // Set GPIO to output mode
    RESET_PIN_GPIO->GDIR |= (1U<<RESET_PIN_INDEX);

    // High
    RESET_PIN_GPIO->DR_SET = (1U<<RESET_PIN_INDEX);
    sw_delay_us(250);
    // Low
    RESET_PIN_GPIO->DR_CLR = (1U<<RESET_PIN_INDEX);
    sw_delay_us(250);
    // High
    RESET_PIN_GPIO->DR_SET = (1U<<RESET_PIN_INDEX);
    sw_delay_us(500);
}

2.2 準備初始FDCB配置塊

第二步是準備一個初始的FDCB配置塊（即flexspi_nor_config_t，大小為512字節），這個初始FDCB配置塊將被用來做FlexSPI外設的第一次初始化，目的是為了能夠保證FlexSPI初始化之后CPU能夠使用AHB方式正常讀取Flash（訪問性能不要求最高，但求穩定訪問）。這個初始FDCB并不是一個完全定死的配置塊，部分值也是根據fuse來配置的，一共有三處fuse位置，其中最重要的是FLASH_TYPE：

fuse 0x440[20]    - QSPI_2ND_BOOTPIN_ENABLE，決定是否啟動第二組FlexSPI pinmux
fuse 0x450[10:8]  - FLASH_TYPE，決定當前連接的Flash類型
fuse 0x470[30:24] - DELAY_CELL_NUM，設置Flash讀訪問時序數據線有效時間

初始FDCB配置塊中僅給memConfig設了值，這個memConfig才是用于配置FlexSPI外設本身。如下部分賦值是固定的FDCB設置，不受fuse影響，從這個固定配置你可以看到，BootROM假定了所有外接Flash都是128MB，且訪問時鐘(SCK)速度能支持30MHz，不要對這個假定感到焦慮，它只是用于FlexSPI第一次初始化，目的只求能正常訪問Flash前4KB即可：

flexspi_nor_config_t config;
memset(config, 0, sizeof(config));

// 公共的FDCB配置
config.memConfig.tag           = FLEXSPI_CFG_BLK_TAG;
config.memConfig.version       = FLEXSPI_CFG_BLK_VERSION;
config.memConfig.deviceType    = kFlexSpiDeviceType_SerialNOR;
config.memConfig.sflashA1Size  = 128UL*1024*1024;
config.memConfig.serialClkFreq = kFlexSpiSerialClk_30MHz;
config.memConfig.dataHoldTime  = 3;
config.memConfig.dataSetupTime = 3;
config.memConfig.timeoutInMs   = 1000;

然后便是從fuse里獲取flashType，根據具體flashType來對初始FDCB配置塊做進一步動態賦值，這進一步賦值才用于區分不同Flash種類（Pad數量、DQS信號屬性、最重要的lookupTable等）。

// 從fuse里獲取flash類型
uint32_t flashType;
if ((OCOTP->CFG3 & 0x100000) >> 20)
{
    flashType = 7;
}
else
{
    flashType = (OCOTP->CFG4 & 0x700) >> 8;
}

上圖中最重要的FDCB賦值是config.memConfig.lookupTable，它是FlexSPI外設需要的核心配置，有了這個配置，CPU便可以直接從AHB總線讀取Flash的內容，因為FlexSPI會自動解析AHB總線讀請求然后翻譯成具體FlexSPI讀時序，底層讀時序需要的命令、地址字節數、DUMMY周期都在lookupTable里。BootROM預存了如下6大類Flash的lookupTable：

// Dedicated 3Byte Address Read(0x03), 24bit address
static const uint32_t s_dedicated3bRead[4]   = {
    FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR,  FLEXSPI_1PAD, 0x03, RADDR_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x18),
    FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x04, STOP,      FLEXSPI_1PAD, 0),
    0,
    0
};

// Dedicated 4Byte Address Read(0x13), 32 bit address
static const uint32_t s_dedicated4bRead[4]   = {
    FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR,   FLEXSPI_1PAD, 0x13, RADDR_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x20),
    FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_SDR,  FLEXSPI_1PAD, 0x04, STOP,      FLEXSPI_1PAD, 0),
    0,
    0
};
// HyperFlash Read
static const uint32_t s_hyperflashRead[4]    = {
    FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_DDR,   FLEXSPI_8PAD, 0xA0, RADDR_DDR,      FLEXSPI_8PAD, 0x18),
    FLEXSPI_LUT_SEQ(CADDR_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x10, DUMMY_RWDS_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x0c),
    FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_DDR,  FLEXSPI_8PAD, 0x04, STOP,           FLEXSPI_8PAD, 0),
    0
};

// MXIC Octal DDR read
static const uint32_t s_mxicOctDdrRead[4]    = {
    FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_DDR,   FLEXSPI_8PAD, 0xEE, CMD_DDR,   FLEXSPI_8PAD, 0x11),
    FLEXSPI_LUT_SEQ(RADDR_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x20, DUMMY_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0xc),
    FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_DDR,  FLEXSPI_8PAD, 0x04, STOP,      FLEXSPI_8PAD, 0),
    0
};

// Micron Octal DDR read
static const uint32_t s_micronOctDdrRead[4]  = {
    FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR,   FLEXSPI_8PAD, 0xFD, RADDR_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x20),
    FLEXSPI_LUT_SEQ(DUMMY_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x8,  READ_DDR,  FLEXSPI_8PAD, 0x04),
    0,
    0
};
// Adesto Octal DDR read
static const uint32_t s_adestoOctDdrRead[4]  = {
    FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR,   FLEXSPI_8PAD, 0x0B, RADDR_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x20),
    FLEXSPI_LUT_SEQ(DUMMY_DDR, FLEXSPI_8PAD, 0x8,  READ_DDR,  FLEXSPI_8PAD, 0x04),
    0,
    0
};

2.3 第一次FlexSPI初始化

第三步就是利用上述配置完成的初始FDCB塊對FlexSPI外設進行第一次初始化，就是下面代碼，這個流程跟官方SDK里的flexspi_nor_flash_init()大同小異，這里不予具體展開。如果在這里初始化就返回失敗（這里一般不會失敗，因為僅僅是FlexSPI外設自身初始化，并不涉及操作外部Flash芯片的動作），BootROM則直接退出FlexSPI NOR設備啟動，轉入SDP下載。

#define FLEXSPI_INSTANCE    0
uint32_t instance = FLEXSPI_INSTANCE;

status_t status = flexspi_init(instance, (flexspi_mem_config_t *)(&config));
if (status != kStatus_Success)
{
    return status;
}
flexspi_update_lut(instance, 0, &config.memConfig.lookupTable, 1);

2.4 若干善后工作

上述第一次FlexSPI初始化一般都會成功的，但這并不代表fuse里的flashType等配置跟板子上Flash型號是匹配的，也就是說初始FDCB配置塊此時還沒有被充分驗證其是否適用板載Flash型號。

FlexSPI第一次初始化結束后，為了保證后續能正常AHB訪問，BootROM里做了一些善后工作，主要是兩件事：

做一些訪問前的延時：根絕fuse 0x450[3:2] - HOLD TIME來調用microseconds_delay()做延時，以使FlexSPI外設完全準備好。

做一次無效AHB訪問：類似這樣的代碼 volatile uint32_t dummy = *(uint32_t *)0x60000000;，無效AHB讀可以使Flash退出continuous read模式

2.5 獲取用戶FDCB配置塊

善后工作結束之后，此時CPU應該可以通過AHB正常訪問Flash了，這個階段我們只需要從Flash的偏移0地址處讀取用戶FDCB，驗證用戶FDCB是否存在，這里才是對前面初始FDCB配置塊以及第一次FlexSPI外設初始化的真正考驗。

驗證用戶FDCB是否存在就是簡單讀取FDCB的前四個字節(tag)，驗證這個tag是否合法。如果第一次驗證tag不成功（有可能是FlexSPI配置不正確，也有可能是用戶FDCB不存在），會嘗試做一次三字節地址切換到四字節地址的LUT更新（僅適用QSPI Flash），然后做第二次tag讀取驗證，如果此時還是驗證失敗（大概率是不存在用戶FDCB了），BootROM則直接退出FlexSPI NOR設備啟動，轉入SDP下載。

#define FlexSPI_AMBA_BASE      (0x60000000U)
#define FLASH_BASE             FlexSPI_AMBA_BASE

// 使用三字節地址的LUT對Flash進行初次AHB訪問
flexspi_clear_cache(FLEXSPI_INSTANCE);
flexspi_nor_config_t *pConfig = (flexspi_nor_config_t *)FLASH_BASE;
if (pConfig->memConfig.tag != FLEXSPI_CFG_BLK_TAG)
{
    // 因為拿不到用戶FDCB的tag，嘗試切換使用四字節地址的LUT
    if (flashType == 0)
    {
        flexspi_update_lut(FLEXSPI_INSTANCE, 0, s_basic4bRead, 1);
    }
    flexspi_clear_cache(FLEXSPI_INSTANCE);
    pConfig = (flexspi_nor_config_t *)FLASH_BASE;
}

// 對Flash進行第二次AHB訪問，再次確認能否拿到用戶FDCB的tag
if (pConfig->memConfig.tag != FLEXSPI_CFG_BLK_TAG)
{
    return kStatus_Fail;
}

上面代碼里有flexspi_clear_cache()操作，這個其實就是利用FLEXSPI0->MCR0[SWRESET]做一個外設級別的軟復位，另外代碼里還涉及到一個四字節地址QSPI Flash的LUT表，即如下所示：

// Basic read with 32bit address
static const uint32_t s_basic4bRead[4]   = {
    FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR,  FLEXSPI_1PAD,  0x03, RADDR_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x20), 
    FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_SDR, FLEXSPI_1PAD,  0x04, STOP,      FLEXSPI_1PAD, 0),
    0,
    0
};

2.6 第二次FlexSPI初始化

到了這里，基本代表第一次FlexSPI初始化是正確且可用的，并且能夠拿到有效的用戶FDCB配置塊。這時候就是利用用戶FDCB配置塊對FlexSPI外設做第二次初始化，初始化代碼流程跟第一次初始化是一模一樣的。

這個第二次初始化是非常有必要的，因為它反映了用戶的真實需求，用戶FDCB配置塊里會準確描述板載Flash的全面特性（訪問速度，真實存儲空間大小，特殊定制LUT等等），這些信息必須由用戶來提供。

需要注意的是，第二次FlexSPI初始化返回成功并不代表用戶FDCB配置塊一定就是正確的，還是那句話，這僅僅是對FlexSPI外設自身的初始化。后續常規App解析流程里才是對這個用戶FDCB配置塊的真正考驗。

至此，深入i.MXRT1050系列ROM中串行NOR Flash啟動初始化流程痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~