一篇文章讲解清楚ARM9芯片启动流程

SAM9X60 ARM9 boot启动流程关键词介绍：

• 第一级bootloader - 也叫boot ROM，是集成在MPU内部的ROM里面

它的主要功能是执行对MPU的基本初始化和配置，查找并将第二级bootloader从外部NVM中读取出来并放到MPU内部的SRAM.
可以让MPU强制停留在第一级bootloader(boot ROM)阶段，然后配合Microchip提供的SAM-BA在系统编程工具去完成NVM(NOR、NAND、eMMC/SD卡)的擦写、编程写入等操作，或者配置MPU启动配置字，让MPU工作在所需要设定的模式（比如默认从QSPI0或者QSPI1启动，更改管脚默认映射关系等）。

• NVM - Non-Volatile Memory 非易失存储器，指MPU外部用来存储用户代码的各种闪存设备，可以是SPI/QSPI/并行 Nor Flash、Nand Flash或者eMMC/SD卡等。
• 第二级bootloader - 也是常提到的at91bootstrap，是Microchip原厂提供的，用于在MPU上电后运行的第一级bootloader(boot ROM)后去加载并继续运行的一小段代码，完成MPU的进一步初始化和配置，然后去外部NVM中寻找并加载第三级的用户代码（可以是RTOS代码或者U-boot、或Linux内核）到外部DRAM中。
• 第三级bootloader - 也是大家熟悉的U-Boot，它是一个开源的bootloader，通常用来配置和初始化外设，加载和运行Linux OS，Microchip有专门维护针对其处理器MPU的U-Boot代码并放在github上供下载 - https://github.com/linux4microchip/。
  

SAM9X60 MPU boot启动流程详解：

1. 处理器(MPU)复位

系统上电后，SAM9X60 MPU开始执行boot启动流程，由RSTC(Reset Controller)负责处理MPU所有的复位相关事情。 包括下图所示的各种机制产生的复位事件输入：

• VDDBU POR - VDD Backup备份电源POR(Power On Reset上电复位)
• VDDIN33 POR - VDD 3.3V输入电源POR(Power On Reset上电复位)
• VDDCORE POR - VDD CORE内核电源POR(Power On Reset上电复位)
• NRST - 外部复位管脚低电平输入
  
  并根据设定的机制来决定是否输出以下事件：
• RSTC Interrupt - 复位事件输出中断（可以在低功耗模式下作为MPU唤醒源）
• Processor and Peripheral Reset - 执行处理器和外设的复位操作

复位状态控制器(Reset State Manager)开始根据优先级处理各种复位事件源。复位事件源和其对应的优先级如下图：

优先级	复位状态	复位在什么情况下产生时
1	通用状态	检测到VDDBU POR
2	退出Backup模式	当设备从Backup模式退出
3	32.768KHz时钟出错	PMC电路监测到32.768K输入失效
4	看门狗超时	看门狗超时错误发生
5	软复位	往RSTC_CR(复位控制寄存器)写软复位操作
6	用户NRST复位管脚检测到低电平	NRST管脚检测到低电平输入且此时RSTC_MR(复位控制管理寄存器)的URSTEN=1(用户复位输入管脚使能)

RSTC状态寄存器会记录上次的复位源，复位后MPU的程序计数器PC会被复位成0x0000 0000并开始执行集成在芯片内部的第一级bootloader(boot ROM)：

2. 复位后运行MPU内部集成的ROM CODE

系统复位后，SAM9X60 MPU首先运行内部的第一级bootloader - ROM CODE

ROM CODE将完成下述初始化操作:

• 初始化处理器CPU Clock和Master Clock.

第一级bootloader首先会初始化处理器时钟(Processor Clock - CPU_CLK)和主时钟(Master Clock - MCK)，主RC Oscillator(时钟发生器模块)会通过快速启动来唤醒整个系统，这时主时钟MAINCK这块也是使用RC Oscillator，由PMC(Power Management Controller)负责将MAINCK作为CPU Clock(CPU_CLK)和Master Clock(MCK).

紧接着第一级bootloader会初始化PLLA锁相环，将系统频率倍频到396MHz并等待PLLA倍频后的频率能够稳定工作,此时PMC里的处理器时钟控制器(Processor Clock Controller)会选择PLLA的输出作为CPU Clock(CPU_CLK)和Master Clock(MCK)的输入时钟源.

最后第一级bootloader会读取启动配置字（Boot Configuration Packet）,它是存储在MPU内部的一块OTP(One Time Programmable)区域，这块区域的配置可以用于控制以下内容：

• 禁止或者使能串口UART或者DBGU端口（看配置字的设定）
• 禁止或者使能JTAG口（看配置字的设定）
• 设定连接外部NVM的IO采用哪组配置组合
• 禁止或者使能化外部NVM(Non-Volatile Memory)控制器接口.
• 禁止或者使能SAM-BA Monitor(在系统编程应用)

如果在OTP区域没有写入配置字，则第一级bootloader会使用默认配置：

• 配置DBGU(115200波特率)端口用于串口调试和SAM-BA通信
• 使能JTAG口用于调试
• 初始化NVM接口并按照先后顺序从以下NVM启动：
  1. SDMMC0(IOSET0).
  2. SDMMC1(IOSET0).
  3. QSPI0(IOSET0).
  4. SPI0(IOSET0).
  5. NAND0(IOSET0).
  6. 使能SAM-BA Monitor(运行在系统编程应用)
     
     • 例如第一级bootloader首先会根据IOSET0的配置尝试初始化SDMMC0接口，如果没有通过SDMMC0接口读取到有效的第二级bootloader，则会将SDMMC0接口的配置还原成原来的配置，接下来尝试从SDMMC1寻找有效的第二级bootloader，后面以此类推。

3. 从外部存储NVM中寻找到第二级bootloader - at91bootstrap:

• 加载at91bootstrap到芯片内部SRAM中运行.
• 将芯片内部SRAM映射到地址0x0.
• 复位PC的值到0x0并执行跳转
  

前面提到的寻找有效的第二级bootloader，包括以下的操作：

• ARM中断向量表的检测 - 适合于Nand、SPI/QSPI Flash启动
• boot.bin文件的检测 - 适合eMMC/SD卡启动，寻找FAT分区里的boot.bin文件

ARM中断向量表的检测是指将测中断向量表第6个位置，在ARM系统里面默认第6个中断向量表为预留且默认为0，在Microchip MPU中则利用这个位置来存储第二级bootloader文件大小信息。也就是生成的第二级bootloader烧录.bin文件，从地址0开始存放的都是ARM中断向量表入口地址，第6个中断向量表在at91bootstrap编译时就插入.bin文件大小信息。

第一级的bootloader(boot ROM)在依次扫描外部NVM的时候，会在读取存储在NVM里面中断向量表内容时检查存储第6个中断向量表的内容，如果该位置含有有效内容(非0xFF且值小于内部SRAM的大小)，则认为找到了有效的第二级bootloader。

同样查找到FAT分区里的boot.bin文件，也需要判断.bin文件应小于内部SRAM的大小。

4. 如果没找到at91bootstrap则转为SAM-BA Monitor模式等待sam-ba命令连接

JTAG接口在执行第一级ROM BOOT的时候是禁止掉的，在以下条件下重新被使能：

1. 如果在外部NVM中找到at91bootstrap，在完成at91bootstrap加载、SRAM的重映射、PC重新复位并设置为0且开始跳转执行。
2. 如果在外部NVM中没有找到at91bootstrap，则转为SAM-BA Monitor模式，禁止访问内部ROM

其他注意事项：

• SAM-BA Monitor模式默认是启用的，除非在OTP配置区域中禁止它
• 如果SAM-BA Monitor只使用串口，则不需要用到外部的晶振
• 如果SAM-BA Monitor还需要使用USB口，则需要接上外部的晶振

5. 第二级bootloader - at91bootstrap

• at91bootstrap是一个开放的用户程序，支持功能订制，具备高度的灵活性
  
• at91bootstrap存储在外部的NVM中，需要被加载到MPU内部SRAM运行
  
• 加载后SRAM地址会重映射到0、PC重新复位并设置为0且开始跳转执行。

6. 第三级bootloader - U-Boot

• 关于U-Boot的作用就不在这里多做介绍