By Toradex秦海
1). 簡介
NXP iMX8系列ARM處理器是NXP目前性能最強勁确也是架構最複雜的ARM處理器，和之前的ARMv7系列處理器比如iMX6系列不同，在iMX8系列晶片中NXP加入了SCU子產品來管理晶片的啟動和關鍵外設初始化（如PMIC、時鐘等），iMX8QM處理器的簡單框圖如下：
SCU(System Control Unit)的框圖放大如下，其中包含一個基于Cortex-M4核心的SCU CM4 Complex子產品，其運作的固件就是SCFW，還有一基于Cortex-M0核心的SECO子產品，運作SECO固件，負責安全認證相關的工作。
本文就簡單介紹下iMX8處理器的啟動流程，然後結合來自于Toradex Apalis iMX8 的ARM嵌入式平台，示範一下包含了SCFW以及SECO固件等的boot container image的編譯流程。
2). 準備
a). Apalis iMX8QM 4GB WB IT ARM核心版配合Ioxra 載闆，連接配接調試序列槽UART1（載闆X22）到開發主機友善調試。
3). NXP iMX8 啟動流程
a). NXP iMX8啟動流程圖如下所示，首先SCU boot rom代碼加載啟動，然後通過晶片的SCU boot mode相關管腳配置，來選擇進入那種啟動模式，一般要麼是正常啟動，要麼是進入恢複模式，然後通過SDP模式啟動。正常啟動流程到最後，加載運作Boot container image來繼續下一階段啟動。
b). Boot container image 包含如下内容
./ SCFW - 運作與SCU M4核心的firmware，用于啟動管理和外設初始化等任務，可以進行定制修改。
./ SECO FW - SECO firmware，NXP隻提供binary檔案，負責啟動過程中的一些security認證。
./ Optional Coretex-M4 firmware, 由上面章節一的iMX8晶片框圖可以看到iMX8支援2x Cortex-M4 核心，那麼運作與這些M4核心的固件可以一起內建到boot container image裡面去，如果不需要或者可以後續通過U-boot加載，是以可選添加。
./ Optional Cortex-A image，運作于Cortex-A核心啟動相關的image，主要包含ATF(ARM Trusted Firmware)和U-boot image。
c). Boot container image 加載流程如下圖，最後當U-boot運作後，就由U-boot控制進行正常的Linux Kernel和Rootfs加載流程了。
4). Boot Container Image編譯組裝
a). 本文以下編譯流程都是基于目前Toradex 最新Linux BSP V5.3版本操作，其他版本基本流程都是一緻的，版本差異可以參考這裡說明修改适配
b). 首先擷取 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已經在 imx-seco-3.8.1/firmware/seco/ 目錄下，針對不同的iMX8晶片選擇不同的檔案，本文測試使用的iMX8QM處理器對應的是 mx8qmb0-ahab-container.img 這個檔案。
c). 然後編譯 SCFW
./從NXP官網下載下傳 SCFW porting kit（需要有效的NXP賬号登入），目前适用版本為 SCFW Porting Kit 1.7.3
./ 解壓到 build-scfw 目錄
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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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./ 檢視目前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針對其核心闆的相關修改部署到上述下載下傳NXP imx8qm SCFW 源代碼中
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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
......
PARTITION_NAME(SC_PT, "SCU");
PARTITION_NAME(SECO_PT, "SECO");
PARTITION_NAME(pt_boot, "BOOT");
......
if (rm_is_resource_avail(SC_R_M4_0_PID0) != SC_FALSE)
{
sc_rm_mr_t mr;
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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./ 修改好源代碼後，配置toolchain準備進行編譯
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### 使用GCC ARM 針對 Coretex-M核心的GNU-RM 最新版本即可，下載下傳位址如下，目前針對Linux X86_64平台的最新版本為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
### 解壓下載下傳的toolchain壓縮包
$ 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 編譯環境變量
$ 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
### 測試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編譯
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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.
### 關于編譯的相關選項含義，可以通過help檢視，比如D配置debug選項，U配置SCU調試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=<level> : configure debug level (0-5)
B=<board> : configure board (default=val)
U=<uart> : configure debug UART (default=0)
DDR_CON=<file> : specify DDR config file
R=<srev> : 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=<test> : run tests rather than boot next core
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./ 編譯好生成的SCFW固件位于如下位置，後面打包Boot Container Image會需要
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$ ls build_mx8qm_b0/scfw_tcm.bin
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當然，如果你無需修改Toradex SCFW的預設配置，也可以從下面github上面直接下載下傳Toradex編譯好的SCFW binary固件檔案mx8qm-apalis-scfw-tcm.bin後重命名為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). 編譯ATF
./ 擷取ATF源代碼
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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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./ 參考這裡說明配置編譯toolchain，因為ATF運作與Cortex-A核心，是以和上面SCFW不同，需要使用GCC ARM針對Coretx-A核心的GNU-A toolchain，為了和Ycoto編譯版本Dunfell對應，這裡使用了9.2 aarch64 64bit版本。另外，請注意因為使用編譯器和上述SCFW編譯不同，是以要開一個新的Terminal視窗進行配合和後續編譯。
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$ cd ~/workdir/toolchain/
### 解壓下載下傳的toolchain壓縮包
$ 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 編譯環境變量
$ 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
### 測試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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./ 編譯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
### 編譯出 bl31.bin 再後續組裝Boot Container Image中會需要
$ ls build/imx8qm/release/bl31.bin
build/imx8qm/release/bl31.bin
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e). U-boot編譯
./ 參考這裡說明進行U-boot源代碼下載下傳以及編譯，這個就是比較正常的bootloader修改編譯過程了，針對iMX8/iMX8X平台，如果隻是需要修改U-boot（SCFW不做修改）的話也需要參考本文流程重新組裝Boot Container Image檔案後再進行部署。
./ 下載下傳對應BSP版本U-boot源代碼
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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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./ 編譯toolchain及上一章節編譯ATF同樣toolchain配置，這裡不再贅述。
./ 編譯，生成u-boot.bin用于後續Boot Container Image組裝
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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組裝
./ 首先下載下傳 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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./ 将上述章節準備好的SECO、SCFW、ATF、U-boot binary檔案複制到imx-mkimage對應目錄
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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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./ 組裝Boot Container Image，最終生成 flash.bin 檔案
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$ make SOC=iMX8QM flash_b0
$ ls iMX8QM/flash.bin
iMX8QM/flash.bin
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5). 部署測試
a). 從這裡下載下傳Toradex Ycoto Linux BSP Multimedia Image Quarterly 5.2.0+build.7版本，預設image通過Toradex Easy Installer安裝後啟動通過調試序列槽可以看到目前的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). 用上述章節4生成的 flash.bin檔案替換掉剛才下載下傳的BSP 5.2.0 image壓縮包裡面的imx-boot檔案
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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). 将上述修改後的image重新通過Toradex Easy Installer更新到Apalis iMX8子產品後，啟動檢視SCFW Commit ID是否和之前SCFW編譯章節檢視到的Commit一緻，如一緻說明編譯部署成功。
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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). 總結
本文基于NXP iMX8嵌入式平台簡單介紹了NXP iMX8/iMX8X新一代iMX處理器的啟動流程，以及SCFW、ATF、U-boot的編譯和Boot Container Image的組裝供參考，而NXP另外一個iMX8M Mini/Plus系列是不包含SCU的，但是還是需要一個包含DDR timing、ATF、SPL、U-boot等的Boot Container Image，詳細編譯可以參考這裡說明。
參考文獻
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