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B y 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 iMX 8 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 4 GB WB IT ARM 核心版配合 Ioxra 载板，连接调试串口 UART1 （载板 X2 2 ）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 ---------------------------------- $ 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 ---------------------------------- 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 ---------------------------------- # ## 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 ---------------------------------- ./ 查看当前 SCFW 版本号 /Commit ---------------------------------- $ cd ~/workdir/build-scfw/packages/imx-scfw-porting-kit-1.7.3/ $ $ cat VERSION NXP i.MX System Controller Firmware -------------------------------------------- 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 ---------------------------------- . / 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 ---------------------------------- $ 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/ ---------------------------------- . / 可选 - 根据需要修改 SCFW 源代码 ---------------------------------- ### 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 = { 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 }; ...... ---------------------------------- . / 修改好源代码后，配置 toolchain 准备进行编译 ---------------------------------- ### 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 ---------------------------------- $ 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 ---------------------------------- . / 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 ---------------------------------- $ ls build_mx8qm_b0/scfw_tcm.bin ---------------------------------- 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 ---------------------------------- $ 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 ---------------------------------- d). 编译 ATF ./ 获取 ATF 源代码 ------------------------------- $ cd ~/workdir $ git clone git://git.toradex.com/imx-atf.git -b toradex_imx_5.4.70_2.3.0 ------------------------------- ./ 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。 ------------------------------- $ cd ~/workdi r/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. ...... ------------------------------- ./ 编译 ATF ------------------------------- $ 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 ------------------------------- 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 ------------------------------- $ cd ~/workdir $ git clone -b toradex_imx_v2020.04_5.4.70_2.3.0 git://git.toradex.c n /u-boot-toradex.git ------------------------------- ./ 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 ------------------------------- $ cd ~/workdir/u-boot-toradex $ make apalis-imx8_defconfig $ &1 | tee build.log $ ls u-boot.bin u-boot.bin ------------------------------- f ). Boot Container Image 组装 ./ 首先下载 imx-mkimage 工具 ------------------------------- $ cd ~/workdir/ $ git clone -b imx_5.4.70_2.3.0 https://source.codeaurora.org/external/imx/imx-mkimage/ ------------------------------- ./ 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 ------------------------------- $ 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 ------------------------------- ./ 组装 Boot Container Image ，最终生成 flash.bin 文件 ------------------------------- $ make SOC=iMX8QM flash_b0 $ ls iMX8QM/flash.bin iMX8QM/flash.bin ------------------------------- 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 ------------------------------- 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 ------------------------------- 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 ------------------------------- $ 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 ------------------------------- 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。 ------------------------------- 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 ------------------------------- 6 ). 总结本文基于 NXP iMX 8 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

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