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

strongerHuang 2020-10-28 00:00
构建AI未来，Arm计算平台无处不在 双天线智能切换+多协议并发传输方案详解
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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
   0x002000, 0x000000,         // Sector Size  8kB (8 Sectors)
   0x010000, 0x010000,         // Sector Size 64kB (2 Sectors) 
   0x002000, 0x030000,         // 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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