Keil MDK 下 i.MXRT 的串行 NOR Flash 下载算法设计

strongerHuang 2020-10-28
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作者 | 痞子衡
转自 | 痞子衡嵌入式
今天转载痞子衡嵌入式的一篇文章,给大家Keil MDK工具下i.MXRT的串行NOR Flash下载算法设计
在i.MXRT硬件那些事系列之 《在串行NOR Flash XIP调试原理》 一文中,痞子衡简单提了一下串行NOR Flash下载算法的概念,并没有介绍具体设计细节,关于NOR Flash下载算法每个IDE/工具都有自己的一套设计,虽然基本设计理念是一样的,但是细节方面还是有区别。上一篇痞子衡介绍了 《J-Link下算法设计》 ,今天痞子衡就来细聊Keil  MDK下的NOR Flash下载算法:

一、Keil MDK5对i.MXRT的支持

Keil μVision可以说是MCU开发者最熟悉的IDE了,大部分人刚开始入行嵌入式学MCS-51系列单片机应该都是用得Keil C51环境(Keil μVision2),早期的Keil还只是一个小型的独立软件公司。2005年ARM收购了Keil,并于2006年集成了RealView编译器开始支持ARM Cortex-M处理器,这便是后来的Keil MDK(Keil μVision3)。
2013年Keil μVision5发布,与Keil MDK4及之前版本不同,Keil MDK5分成MDK Core和Software Packs两部分。MDK Core主要包含uVision5 IDE集成开发环境和ARM Compiler5。Software Packs则可以在不更换MDK Core的情况下,单独管理(下载、更新、移除)设备支持包和中间件更新包。
因此首次安装的Keil MDK5并没有直接支持i.MXRT,需要通过Software Packs组件来单独安装i.MXRT的相关软件支持包。

二、使用Pack Installer添加新i.MXRT型号支持

Keil MDK5里默认集成了Pack Installer,在IDE里可以直接打开其界面,手动添加所需的MCU主控相关软件包。软件包主要有两个:Device Family Pack (DFP)和Board Support Pack (BSP) ,前者是对MCU芯片本身的支持,后者是对MCU开发板的支持。
如果你不主动安装MCU软件包也行,当你打开SDK里的任何一个例程(以i.MXRT1060为例),如果该例程对应的MCU软件包没有安装,IDE会自动触发Pack的安装。DFP是必须要安装的,BSP要看你具体使用哪块板卡,痞子衡用得官方i.MXRT1060-EVK,因此还需要再手动安装NXP::EVK-MIMXRT1060_BSP:
安装完MCU软件包后,便可以正常编译SDK工程,然后在Flash下载和调试了。痞子衡使用的是恩智浦官方EVK,板子上自带了DAPLink调试器,当然除了板载调试器,我们也可以外接J-Link调试器,在MDK工程选项里无论选择哪种调试器,其默认Flash下载算法是一样的,都来自于DFP包 (\Keil_Packs\NXP\MIMXRT1062_DFP\12.2.0\arm\MIMXRT106x_QSPI_4KB_SEC.FLM)
如果默认选择的Flash下载算法文件不适用你的板子,那么你需要自己提供合适的算法文件(.FLM),并将其放入MDK安装目录下(\Keil_v5\ARM\Flash),重新打开工程选项,新增的算法会自动刷新到待选算法列表(还有另一种添加方式,即做一个完整的DFP包,包里包含下载算法,虽然ARM写了详尽的文档,但这种方式更适合芯片原厂去做):
搞定了合适的下载算法文件,最后还需要检查下两个地址范围,一个是Flash对应的实际映射地址空间,另一个是下载算法文件运行RAM地址空间。这点跟上一篇介绍的J-Link算法JLinkDevices.xml文件里需要填的两个地址空间设计是一致的。

三、NOR Flash下载算法设计

Keil MDK下Flash下载算法是开源的,有较详细的文档,文档在arm-software的github主页,根据这些文档,我们基本可以了解其下载算法设计细节。
  • 算法主页:https://arm-software.github.io/CMSIS_5/Pack/html/flashAlgorithm.html

3.1 下载算法模板工程

Keil MDK提供了一个Flash下载算法的基础模板工程,工程在\Keil_v5\ARM\Flash\_Template\NewDevice.uvprojx,该工程仅支持MDK(不支持MDK-Lite)编译,除了工程设置外,该模板工程仅包含四个文件:
\Keil_v5\ARM\Flash\FlashOS.h
\Keil_v5\ARM\Flash\_Template\FlashDev.c
\Keil_v5\ARM\Flash\_Template\FlashPrg.c
\Keil_v5\ARM\Flash\_Template\Target.lin
拿到基础模板工程,我们需要根据目标MCU内核类型在工程选项里将默认的ARMCM0内核改掉,然后在FlashDev.c和FlashPrg.c里将算法API函数全部实现(默认是空的),最后编译工程生成.FLM即是我们要的算法文件(最终.FLM其实是通过After Build里的脚本命令将.axf直接改名的,FLM文件本质上就是axf格式文件)。

3.2 下载算法结构设计

算法本身结构其实很简单,在FlashDev.c文件中有一个名为FlashDevice的结构体常量,其原型定义在FlashOS.h中。该结构体主要给IDE提供必要的Flash信息,其值必须根据实际板卡情况填写正确。
struct FlashDevice const FlashDevice  =  {
   FLASH_DRV_VERS,             // Driver Version, do not modify!
   "New Device 256kB Flash",   // Device Name 
   ONCHIP,                     // Device Type
   0x00000000,                 // Device Start Address
   0x00040000,                 // Device Size in Bytes (256kB)
   1024,                       // Programming Page Size
   0,                          // Reserved, must be 0
   0xFF,                       // Initial Content of Erased Memory
   100,                        // Program Page Timeout 100 mSec
   3000,                       // Erase Sector Timeout 3000 mSec

// Specify Size and Address of Sectors
   0x0020000x000000,         // Sector Size  8kB (8 Sectors)
   0x0100000x010000,         // Sector Size 64kB (2 Sectors) 
   0x0020000x030000,         // Sector Size  8kB (8 Sectors)
   SECTOR_END
};
除了FlashDevice之外,最核心当然是FlashPrg.c里的7个API函数,这些API函数提供了实际的Flash擦写验功能,IDE会自动按需调用这些API去实现在线下载。这些API原型是固定的,但具体函数实现是因板卡而异的。
关于算法工程还有一个不得不提的设计,那就是工程选项C/C++(包括Asm)下都勾选了Read-Only Position Independent 和 Read-Write Position Independent,表明下载算法本身不是使用固定地址链接,而是位置无关链接(也叫相对地址链接),算法代码机器码是可以被放到任意地址去执行的,这也是为什么你可以在例程选项里去指定RAM for Algorithm。

3.3 下载算法API调用流程

当在IDE里启动在线下载时,IDE会先将算法文件.FLM里的可执行机器码加载进指定的RAM空间,然后组合调用来实现最重要的Flash擦除和写入,只要用户App被正确写入Flash,IDE就能正常读取Flash里代码指令进行单步调试了。如下图便是擦除和写入操作的实际API组合调用流程:
  • 算法API详解:
  • https://arm-oftware.github.io/CMSIS_5/Pack/html/algorithmFunc.html
至此,Keil MDK工具下i.MXRT的串行NOR Flash下载算法设计介绍完毕。

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推荐阅读:
如何编写ARM处理器的Bootloader
线程、进程、多线程、多进程 和 多任务  
几款优秀的支持C、C++等多种语言的在线编译器

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