原创 NXP iMX8 SCFW和Boot Container Image编译

By Toradex秦海

1). 简介

NXP iMX8系列ARM处理器是NXP目前性能最强劲确也是架构最复杂的ARM处理器，和之前的ARMv7系列处理器比如iMX6系列不同，在iMX8系列芯片中NXP加入了SCU模块来管理芯片的启动和关键外设初始化（如PMIC、时钟等），iMX8QM处理器的简单框图如下：

SCU(System Control Unit)的框图放大如下，其中包含一个基于Cortex-M4内核的SCU CM4 Complex模块，其运行的固件就是SCFW，还有一基于Cortex-M0内核的SECO模块，运行SECO固件，负责安全认证相关的工作。

本文就简单介绍下iMX8处理器的启动流程，然后结合来自于Toradex Apalis iMX8 的ARM嵌入式平台，演示一下包含了SCFW以及SECO固件等的boot container image的编译流程。

2). 准备

a). Apalis iMX8QM 4GB WB IT ARM核心版配合Ioxra 载板，连接调试串口UART1（载板X22）到开发主机方便调试。

3). NXP iMX8 启动流程

a). NXP iMX8启动流程图如下所示，首先SCU boot rom代码加载启动，然后通过芯片的SCU boot mode相关管脚配置，来选择进入那种启动模式，一般要么是正常启动，要么是进入恢复模式，然后通过SDP模式启动。正常启动流程到最后，加载运行Boot container image来继续下一阶段启动。

b). Boot container image 包含如下内容

./ SCFW - 运行与SCU M4核心的firmware，用于启动管理和外设初始化等任务，可以进行定制修改。

./ SECO FW - SECO firmware，NXP只提供binary文件，负责启动过程中的一些security认证。

./ Optional Coretex-M4 firmware, 由上面章节一的iMX8芯片框图可以看到iMX8支持2x Cortex-M4 核心，那么运行与这些M4核心的固件可以一起集成到boot container image里面去，如果不需要或者可以后续通过U-boot加载，因此可选添加。

./ Optional Cortex-A image，运行于Cortex-A核心启动相关的image，主要包含ATF(ARM Trusted Firmware)和U-boot image。

c). Boot container image 加载流程如下图，最后当U-boot运行后，就由U-boot控制进行正常的Linux Kernel和Rootfs加载流程了。

4). Boot Container Image编译组装

a). 本文以下编译流程都是基于当前Toradex 最新Linux BSP V5.3版本操作，其他版本基本流程都是一致的，版本差异可以参考这里说明修改适配

b). 首先获取 SECO firmware

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$ cd ~/workdir

$ wget -c https://www.nxp.com/lgfiles/NMG/MAD/YOCTO/imx-seco-3.8.1.bin

$ chmod u+x imx-seco-3.8.1.bin

$ ./imx-seco-3.8.1.bin

$ ls imx-seco-3.8.1/firmware/seco/

commit-id.txt  mx8dxla1-ahab-container.img  mx8qxb0-ahab-container.img  SECO_FW_release_note.pdf

mx8dxla0-ahab-container.img  mx8qmb0-ahab-container.img   mx8qxc0-ahab-container.img

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可以看到SECO firmware binary已经在 imx-seco-3.8.1/firmware/seco/ 目录下，针对不同的iMX8芯片选择不同的文件，本文测试使用的iMX8QM处理器对应的是 mx8qmb0-ahab-container.img 这个文件。

c). 然后编译 SCFW

./从NXP官网下载 SCFW porting kit（需要有效的NXP账号登录），当前适用版本为 SCFW Porting Kit 1.7.3

./ 解压到 build-scfw 目录

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### create build-scfw folder for building

$ cd ~/workdir

$ mkdir build-scfw

$ cd build-scfw

### extract package

$ tar xf imx-scfw-porting-kit-1.7.3.tar.gz

$ cd packages/

$ chmod +x imx-scfw-porting-kit-1.7.3.bin

$ ./imx-scfw-porting-kit-1.7.3.bin

### deploy source code, corresponding to iMX8QM

$ cd imx-scfw-porting-kit-1.7.3/src/

$ tar xf scfw_export_mx8qm_b0.tar.gz

$ ls scfw_export_mx8qm_b0

bin  build_mx8qm_b0  COPYING  Makefile  makefiles  MANIFEST  platform  SCR-imx-scfw-porting-kit.txt

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./ 查看当前SCFW版本号/Commit

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$ cd ~/workdir/build-scfw/packages/imx-scfw-porting-kit-1.7.3/

$ $ cat VERSION

NXP i.MX System Controller Firmware

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Git repo:      ssh://bitbucket.sw.nxp.com/imxpriv/imx-sc-firmware.git

Branch name:   imx_scfw_2020q4

Build version: 5222

Commit ID:     bc122ee1

Build date:    May 27 2021

Build time:    16:27:17

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./ 将Toradex Apalis iMX8QM针对其核心板的相关修改部署到上述下载NXP imx8qm SCFW 源代码中

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$ cd build-scfw/packages/imx-scfw-porting-kit-1.7.3/src

$ git clone https://github.com/toradex/i.MX-System-Controller-Firmware.git

$ cp -r i.MX-System-Controller-Firmware/src/scfw_export_mx8qm_b0/* /scfw_export_mx8qm_b0/

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./ 可选 - 根据需要修改SCFW源代码

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### 参考文档位于 ../imx-scfw-porting-kit-1.7.3/doc/，有HDML和PDF两种格式文档

$ ls pdf/

sc_fw_api_dxl_a0.pdf  sc_fw_api.pdf  sc_fw_api_qm_b0.pdf  sc_fw_api_qx_b0.pdf    sc_fw_rn.pdf

### 针对Toradex Apalis iMX8，核心修改文件位于

### build-scfw/packages/imx-scfw-porting-kit-1.7.3/src/scfw_export_mx8qm_b0/platform/board/mx8qm_apalis

$ ls

board.bom  board.c  board.h  dcd  Makefile

### dcd 目录主要存放ram timing配置文件，主要修改部分在 board.c 这个文件，这个文件的内容和修改请参考上述sc_fw_port.pdf文档说明，包含了从底层CPU/RAM/时钟/PMIC初始化到外部资源分配的各方面

### 比如常用的SOC资源在SCU、Cortex-A、Cortex-M核心直接的分配，可以参考文档的第六章节，通过 board.c 文件的board_system_config() 函数来进行配置，当然也有其他run-time的API函数可用

void board_system_config(sc_bool_t early, sc_rm_pt_t pt_boot)

{

    sc_err_t err = SC_ERR_NONE;

    /* This function configures the system. It usually partitions

       resources according to the system design. It must be modified by

       customers. Partitions should then be specified using the mkimage

       -p option. */

    /* Note the configuration here is for NXP test purposes */

    ......

    /* Name default partitions */

    PARTITION_NAME(SC_PT, "SCU");

    PARTITION_NAME(SECO_PT, "SECO");

    PARTITION_NAME(pt_boot, "BOOT");

    /* Configure initial resource allocation (note additional allocation

       and assignments can be made by the SCFW clients at run-time */

    ......

/* Create M4 0 partition */

        if (rm_is_resource_avail(SC_R_M4_0_PID0) != SC_FALSE)

        {

            sc_rm_mr_t mr;

            /* List of resources */

            static const sc_rsrc_t rsrc_list[7U] =

            {

                SC_R_SYSTEM,

                SC_R_IRQSTR_M4_0,

                SC_R_MU_5B,

                SC_R_MU_7A,

                SC_R_MU_8B,

                SC_R_GPT_4,

                SC_R_SECO_MU_4

            };

......

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./ 修改好源代码后，配置toolchain准备进行编译

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### 使用GCC ARM 针对 Coretex-M核心的GNU-RM 最新版本即可，下载地址如下，当前针对Linux X86_64平台的最新版本为gcc-arm-none-eabi-10-2020-q4-major-x86_64-linux.tar.bz2

https://developer.arm.com/tools-and-software/open-source-software/developer-tools/gnu-toolchain/gnu-rm/downloads

$ cd ~/workdir

$ mkdir toolchain

$ cd toolchain

### 解压下载的toolchain压缩包

$ tar xvf gcc-arm-none-eabi-10-2020-q4-major-x86_64-linux.tar.bz2

$ ls gcc-arm-none-eabi-10-2020-q4-major

arm-none-eabi  bin  lib  share

### export 编译环境变量

$ export ARCH=arm

$ export CROSS_COMPILE=~/workdir/toolchain/gcc-arm-none-eabi-10-2020-q4-major/bin/arm-none-eabi-

$ export PATH=$PATH:~/workdir/toolchain/gcc-arm-none-eabi-10-2020-q4-major/bin

### 测试toolchain

$ arm-none-eabi-gcc --version

arm-none-eabi-gcc (GNU Arm Embedded Toolchain 10-2020-q4-major) 10.2.1 20201103 (release)

Copyright (C) 2020 Free Software Foundation, Inc.

This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO

warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

./ SCFW编译

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$ cd ~/workdir/build-scfw/packages/imx-scfw-porting-kit-1.7.3/src/scfw_export_mx8qm_b0

$ make clean;make SOC=MX8QM B=apalis D=0 DL=0 R=b0 U=0 V=0 qm

Generating platform/board/mx8qm_apalis/dcd/imx8_ramid1_dcd_1.6GHz.h

......

Linking build_mx8qm_b0/scfw_tcm.elf ....

Objcopy build_mx8qm_b0/scfw_tcm.bin ....

done.

### 关于编译的相关选项含义，可以通过help查看，比如D配置debug选项，U配置SCU调试UART

$ make help

Usage: make TARGET OPTIONS

Targets:

help           : display help text

clean          : remove all build files

  dxl             : build for i.MX8DXL die, output in build_mx8dxl

  qm             : build for i.MX8QM die, output in build_mx8qm

  ......

Options:

V=0            : quite output (default)

V=1            : verbose output

D=0            : configure for no debug

D=1            : configure for debug (default)

DL=     : configure debug level (0-5)

B=      : configure board (default=val)

U=       : configure debug UART (default=0)

DDR_CON= : specify DDR config file

R=       : silicon revision (default=A0)

M=0            : no debug monitor (default)

M=1            : include debug monitor

LTO=0          : build without link-time optimization (default)

LTO=1          : build with link-time optimization

T=       : run tests rather than boot next core

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./ 编译好生成的SCFW固件位于如下位置，后面打包Boot Container Image会需要

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$ ls build_mx8qm_b0/scfw_tcm.bin

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当然，如果你无需修改Toradex SCFW的默认配置，也可以从下面github上面直接下载Toradex编译好的SCFW binary固件文件mx8qm-apalis-scfw-tcm.bin后重命名为scfw_tcm.bin

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$ wget https://github.com/toradex/i.MX-System-Controller-Firmware/blob/master/src/scfw_export_mx8qm_b0/build_mx8qm_b0/mx8qm-apalis-scfw-tcm.bin

$ mv mx8qm-apalis-scfw-tcm.bin scfw_tcm.bin

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d). 编译ATF

./ 获取ATF源代码

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$ cd ~/workdir

$ git clone git://git.toradex.com/imx-atf.git -b toradex_imx_5.4.70_2.3.0

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./ 参考这里说明配置编译toolchain，因为ATF运行与Cortex-A核心，因此和上面SCFW不同，需要使用GCC ARM针对Coretx-A核心的GNU-A toolchain，为了和Ycoto编译版本Dunfell对应，这里使用了9.2 aarch64 64bit版本。另外，请注意因为使用编译器和上述SCFW编译不同，因此要开一个新的Terminal窗口进行配合和后续编译。

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$ cd ~/workdir/toolchain/

### 解压下载的toolchain压缩包

$ tar xvf gcc-arm-9.2-2019.12-x86_64-aarch64-none-linux-gnu.tar.xz

$ ls gcc-arm-9.2-2019.12-x86_64-aarch64-none-linux-gnu

9.2-2019.12-x86_64-aarch64-none-linux-gnu-manifest.txt  bin      lib    libexec

aarch64-none-linux-gnu                                  include  lib64  share

### export 编译环境变量

$ export ARCH=arm

$ export CROSS_COMPILE=aarch64-none-linux-gnu-

$ export PATH=$PATH:~/workdir/toolchain/gcc-arm-9.2-2019.12-x86_64-aarch64-none-linux-gnu/bin

### 测试toolchain

$ aarch64-none-linux-gnu-gcc --version

aarch64-none-linux-gnu-gcc (GNU Toolchain for the A-profile Architecture 9.2-2019.12 (arm-9.10)) 9.2.1 20191025

Copyright © 2019 Free Software Foundation, Inc.

......

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./ 编译ATF

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$ cd ~/workdir/imx-atf

$ make PLAT=imx8qm bl31

  CC      plat/imx/imx8qm/imx8qm_bl31_setup.c

......

  LD      build/imx8qm/release/bl31/bl31.elf

  BIN     build/imx8qm/release/bl31.bin

Built build/imx8qm/release/bl31.bin successfully

  OD      build/imx8qm/release/bl31/bl31.dump

### 编译出 bl31.bin 再后续组装Boot Container Image中会需要

$ ls build/imx8qm/release/bl31.bin

build/imx8qm/release/bl31.bin

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e). U-boot编译

./ 参考这里说明进行U-boot源代码下载以及编译，这个就是比较常规的bootloader修改编译过程了，针对iMX8/iMX8X平台，如果只是需要修改U-boot（SCFW不做修改）的话也需要参考本文流程重新组装Boot Container Image文件后再进行部署。

./ 下载对应BSP版本U-boot源代码

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$ cd ~/workdir

$ git clone -b toradex_imx_v2020.04_5.4.70_2.3.0 git://git.toradex.cn/u-boot-toradex.git

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./ 编译toolchain及上一章节编译ATF同样toolchain配置，这里不再赘述。

./ 编译，生成u-boot.bin用于后续Boot Container Image组装

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$ cd ~/workdir/u-boot-toradex

$ make apalis-imx8_defconfig

$ make -j$(nproc) 2>&1 | tee build.log

$ ls u-boot.bin

u-boot.bin

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f). Boot Container Image组装

./ 首先下载 imx-mkimage 工具

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$ cd ~/workdir/

$ git clone -b imx_5.4.70_2.3.0 https://source.codeaurora.org/external/imx/imx-mkimage/

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./ 将上述章节准备好的SECO、SCFW、ATF、U-boot binary文件复制到imx-mkimage对应目录

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$ cd ~/workdir/imx-mkimage/

$ cp ~/workdir/imx-seco-3.8.1/firmware/seco/mx8qmb0-ahab-container.img iMX8QM

$ cp ~/workdir/build-scfw/../build_mx8qm_b0/scfw_tcm.bin iMX8QM

$ cp ~/workdir/imx-atf/build/imx8qm/release/bl31.bin iMX8QM

$ cp ~/workdir/u-boot-toradex/u-boot.bin iMX8QM

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./ 组装Boot Container Image，最终生成 flash.bin 文件

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$ make SOC=iMX8QM flash_b0

$ ls iMX8QM/flash.bin

iMX8QM/flash.bin

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5). 部署测试

a). 从这里下载Toradex Ycoto Linux BSP Multimedia Image Quarterly 5.2.0+build.7版本，默认image通过Toradex Easy Installer安装后启动通过调试串口可以看到目前的SCFW Commit ID

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U-Boot 2020.04-5.2.0-devel+git.76fd4496a40b (Apr 07 2021 - 07:35:42 +0000)

CPU:   NXP i.MX8QM RevB A53 at 1200 MHz

DRAM:  4 GiB

MMC:   FSL_SDHC: 0, FSL_SDHC: 1, FSL_SDHC: 2

Loading Environment from MMC... OK

In:    serial

Out:   serial

Err:   serial

Model: Toradex Apalis iMX8 QuadMax 4GB Wi-Fi / BT IT V1.1B, Serial# 06738378

 BuildInfo:

  - SCFW 0d54291f, SECO-FW d63fdb21, IMX-MKIMAGE 8947fea3, ATF 7f1187b

  - U-Boot 2020.04-5.2.0-devel+git.76fd4496a40b

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b). 用上述章节4生成的 flash.bin文件替换掉刚才下载的BSP 5.2.0 image压缩包里面的imx-boot文件

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$ cd ~/workdir/

$ tar xvf Apalis-iMX8_Reference-Multimedia-Image-Tezi_5.2.0+build.7.tar

$ cd Apalis-iMX8_Reference-Multimedia-Image-Tezi_5.2.0+build.7/

$ rm imx-boot

$ cp imx-mkimage/iMX8QM/flash.bin imx-boot

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c). 将上述修改后的image重新通过Toradex Easy Installer更新到Apalis iMX8模块后，启动查看SCFW Commit ID是否和之前SCFW编译章节查看到的Commit一致，如一致说明编译部署成功。

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U-Boot 2020.04-06904-g7f3416a28c (Jul 05 2021 - 15:43:42 +0800)

CPU:   NXP i.MX8QM RevB A53 at 1200 MHz

DRAM:  4 GiB

MMC:   FSL_SDHC: 0, FSL_SDHC: 1, FSL_SDHC: 2

Loading Environment from MMC... OK

In:    serial

Out:   serial

Err:   serial

Model: Toradex Apalis iMX8 QuadMax 4GB Wi-Fi / BT IT V1.1B, Serial# 06738378

 BuildInfo:

  - SCFW bc122ee1, SECO-FW d63fdb21, IMX-MKIMAGE 8947fea3, ATF

  - U-Boot 2020.04-06904-g7f3416a28c

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6). 总结

本文基于NXP iMX8嵌入式平台简单介绍了NXP iMX8/iMX8X新一代iMX处理器的启动流程，以及SCFW、ATF、U-boot的编译和Boot Container Image的组装供参考，而NXP另外一个iMX8M Mini/Plus系列是不包含SCU的，但是还是需要一个包含DDR timing、ATF、SPL、U-boot等的Boot Container Image，详细编译可以参考这里说明。

参考文献

https://www.nxp.com.cn/docs/en/application-note/AN13275.pdf

https://developer.toradex.com/knowledge-base/build-custom-imx-88x-system-controller-firmware-scfw

https://developer.toradex.cn/knowledge-base/build-u-boot-and-linux-kernel-from-source-code