NXP i.MX8M Plus Cortex-M7应用开发详解
1、概述
i.MX8M Plus是NXP推出的异构多核处理器，配置了主频高达1.6GHz的四核ARM Cortex-A53和一颗运行速度800MHz、带硬件浮点运算的MCU——ARM Cotex-M7内核。本文将基于英创的i.MX8M Plus主板ESM8400，详细介绍NXP i.MX8M Plus Cortex-M7程序的开发方法，包括开发环境搭建，如何编译/调试，以及如何自动启动MCU应用程序等内容。
ESM8400是英创基于i.MX8M Plus处理器开发的64位高性能工控主板，与市面上其他i.MX8M Plus核心板不同，ESM8400直接支持4网口、7串口、同时板载了独立硬件RTC，独立的触摸驱动芯片等必要外设。ESM8400除支持基于Linux-6.6.x内核的多种文件系统，包括Yocto Rootfs、Ubuntu以及Debian桌面系统外，还独家支持Windows 10 IoT企业版操作系统。
2、MCU SDK
NXP提供的 MCU SDK是一个综合的软件开发包，其中包含了i.MX8M系列处理器MCU初始化代码，外设驱动程序，已经移植好的FreeRTOS操作系统和多核通讯协议栈RPMsg等。
图 1：NXP MCU SDK Layers
MCU SDK包含了对基于i.MX8M系列处理器的多个主板的支持，各主板对应的硬件定义和例程位于<install_dir>/boards/<board_name>目录中。
图 2：boards目录
evkmimx8mp是NXP i.MX8M Plus官方评估板，我们根据ESM8400的硬件资源，在参考evkmimx8mp的基上，对代码结构和封装进行了进一步优化，在<install_dir>/boards下创建了esm8400_m7目录， 基于esm8400_m7目录，用户可以更加简便、快速的进行m7程序开发。
esm8400_m7目录内容及简要说明如下：
esm8000_m7目录中除包含demo_apps、driver_examples、drivers、multicore_examples 4个子目录外，还包含以下公共文件：
l board.c/h： board.h包含了ESM8400在M7侧所有可用的硬件资源宏定义，包括调试串口、SPI、PWM、可用的GPIO资源等。board.c中包含了各硬件外设的时钟及RDC初始化代码。
l clock_freq.c/h：包含了封装好的用于设置和获取外设当前时钟频率的功能函数。
l ESM8400_*.ld：ARM GCC链接文件，配置M7程序的CODE及DATA段。
l pin_mux.c/h：CPU管脚的复用设置。
l utilities.c/h：一些有用的实例程序，比如CPU使用率统计等。
ESM8400_m7下的所有examples和demo都将引用上述公共文件，所以一般不建议修改。
3、M7软件开发环境搭建
i.MX8M Plus Cortex-M7应用程序开发与普通的Cortex-M7单片机程序的开发完全一样，本文仅以使用ARM GCC工具链为例，对开发环境的搭建进行说明。
3.1 Win10 安装Linux子系统
<install_dir>/boards/esm8400_m7下的例子程序是在Win10的Linux子系统(WSL)环境下编译测试的，使用的Linux版本为Ubuntu 18.04，如果用户已经有了Linux开发主机，请跳过此小节。
Win10安装Linux子系统请参考：https://docs.microsoft.com/zh-cn/windows/wsl/。
3.2 Win10 安装ARM GCC及CMake
l 根据所用开发主机的操作系统，下载对应的GUN Arm Embedded工具链，下载地址：https://developer.arm.com/tools-and-software/open-source-software/developer-tools/gnu-toolchain/gnu-rm/downloads 。这里以64位Win10操作系统下的Ubuntu 18.04 Linux子系统举例 ，下载对应的工具包gcc-arm-none-eabi-10-2020-q4-major-x84_64-Linux.tar.bz2到D盘根目录。
l 解压tarball，执行：
sudo tar xjf /mnt/d/gcc-arm-none-eabi-10-2020-q4-major-x86_64-Linux.tar.bz2 -C /usr/share
l 建软链接，执行：
sudo ln -s /usr/share/gcc-arm-none-eabi-10-2020-q4-major/bin/arm-none-eabi-gcc /usr/bin/arm-none-edbi-gcc
sudo ln -s /usr/share/gcc-arm-none-eabi-10-2020-q4-major/bin/arm-none-eabi-g++ /usr/bin/arm-none-edbi-g++
sudo ln -s /usr/share/gcc-arm-none-eabi-10-2020-q4-major/bin/arm-none-eabi-gdb /usr/bin/arm-none-edbi-gdb
sudo ln -s /usr/share/gcc-arm-none-eabi-10-2020-q4-major/bin/arm-none-eabi-size /usr/bin/arm-none-edbi-size
l 可通过--version命令查看gcc版本：arm-none-edbi-gcc --version
l 安装CMake，执行：sudo apt-get install cmake
3.3 使用ARM GCC编译Hello_world
解压英创提供的SDK_1.0.0_ESM8400-MCU.tar.gz软件包，在编译任何工程之前，需要先设置一次编译工具链的环境变量，执行：
export ARMGCC_DIR=/usr/share/gcc-arm-none-eabi-10-2020-q4-major
接下来就可编译SDK中的例程了，进入<install_dir>/boards/esm8400_m7/demo_apps/ hello_world/armgcc目录：
执行./build_realse.sh，编译工具将基于ESM8400_tcm.ld文件在armgcc目录下自动创建release子目录，并在其下生成在ESM8400 TCM上运行的hello_world.bin文件。
执行./build_ddr_realse.sh，编译工具将基于ESM8400_ddr_ram.ld在armgcc目录下自动创建ddr_release子目录，并在其下生成在ESM8400 DDR上运行的hello_world.bin文件。
3.4 在WSL2中编译vs在Windows文件系统中编译
WSL2使用了最新的虚拟技术在经量化的虚拟机中运行Linux内核，WSL2在多个方面与微软最初推出的WSL1相比都更具优势，但除了跨操作系统文件系统性能。详细说明请参考：https://docs.microsoft.com/zh-cn/windows/wsl/compare-versions
我们将MCU SDK分别解压到WSL2 Linux文件系统中和Windows文件系统中进行测试，与将文件存放在Windows中跨文件系统编译相比，把文件存放在WSL中直接编译速度要快5倍以上。
4、运行i.MX8M plus Cortex-M7应用程序
在M7程序开发过程中，可利用U-Boot直接加载并运行编译好的M7应用程序，通过PRINTF输出打印信息来调试应用程序。程序发布时可利用Linux的flash_opt工具，将要发布的M7应用程序bin文件固化到系统eMMC中，U-Boot在启动时会先自动启动M7程序，再启动Linux系统。
4.1 硬件连接
最基本的需要连接并配置好网络、连接ESM8400控制台串口（调试串口）和给系统提供电源。ESM8400的UART2为M7程序的调试串口，在M7程序中调用PRINTF将从此串口输出信息。UART2缺省配置为RS232电平，通讯格式与ESM8400的控制台串口完全一样，默认为115200-8-N-1。为了查看M7输出的打印信息，需要再用一条串口线将ESM8400开发评估底板上的UART2与开发主机的串口相连。
4.2 在U-boot中通过TFTP下载并运行M7应用程序
安装TFTP Server
用户可以在开发主板上选择自己熟悉的TFTP Server工具，这里以在Win10下使用Tfptd64配置为例，只需要设置好目录，就可以使用TFTP服务了。(可能需要合理配置开发主机的防火墙)
启动Tfptd64，点击Setting，在TFTP界面点击Browse设置TFTP目录。Tfptd64支持直接选择WSL系统下的文件目录，这里直接选择SDK安装目录下的boards文件夹：<install_dir>/boards。
通过U-boot在TCM上运行M7应用程序
TCM(Cortex-M Core’s Tightly Coupled Memory)是i.MX8M Plus CPU片内为Cortex-M内核使用的一块专用内存，包含128KBytes的代码存储空间(CODE)和128KBytes运行内存空间(DATA)。连接好网线、ESM8400控制终端串口(这里连接到开发主机的COM1)、M7调试串口(这里连接到开发主机的COM3)，短接开发评估底板上的JP1，以便让ESM8400运行在调试模式，然后给ESM8400上电，在开发主机COM1串口工具上按空格键进入ESM8400 U-boot，依次执行如下命令：
a. setenv serverip 192.168.201.211 // 设置TFTP Server IP地址(开发主板IP地址)
b. setenv ipaddr 192.168.201.213 // 设置ESM8400 网口IP地址(与开发主机同一网段)
c. saveenv // 可以使用saveenv命令保存环境变量，系统下次启动时就不需要重复设置IP地址了。
d. tftp 0x48000000 esm8400_m7/demo_apps/hello_world/armgcc/release/hello_world.bin // 从开发主机上下载hello_world.bin到ESM8400内存中
e. cp.b 0x48000000 0x7e0000 ${filesize} // 将下载的内容copy到i.MX8M Plus的TCM
f. bootaux 0x7e0000 // 从TCM启动M7程序
如果程序正常启动运行，在开发主机的COM3口上(连接到了M7的调试串口ESM8400-UART2) 可以看到程序运行时输出的Hello World! 信息。
通过U-boot在DDR上运行M7应用程序
连接好网线、ESM8400控制终端串口(这里连接到开发主机的COM1)、M7调试串口(这里连接到开发主机的COM3)，短接开发评估底板上的JP1，以便让ESM8400运行在调试模式，然后给ESM8400上电，在开发主板COM1串口工具上按空格键进入ESM8400 U-boot，依次执行如下命令：
· DDR
a. setenv serverip 192.168.201.211 // 设置TFTP Server IP地址(开发主板IP地址)
b. setenv ipaddr 192.168.201.213 // 设置ESM8400 网口IP地址(与开发主机同一网段)
c. saveenv // 可以使用saveenv命令保存环境变量，系统下次启动时就不需要重复设置IP地址了。
d. tftp 0x80000000 esm8400_m7/demo_apps/hello_world/armgcc/ddr_release/hello_world.bin // 从开发主机上下载hello_world.bin到ESM8400内存中
e. bootaux 0x80000000 //从系统DDR 0x80000000地址启动M7程序
4.3 M7程序固化及开机自动运行
如前所述，M7程序可以加载到i.MX8M Plus的TCM或系统DDR中运行，各个memory区域提供的程序CODE和DATA空间如下表所示：
配置 | CODE | DATA | A53 & M7 Sheard Memory | CoreMark |
TCM | 128K (007E0000-007FFFFF) | 128K (00800000-0081FFFF) | 16M (80000000-0x80FFFFFF) | 2322.88 |
DDR | 2MB (80000000-801FFFFF) | 2MB (80200000-803FFFFF) | 12M (80400000-0x80FFFFFF) | 2354.88 |
M7程序运行位置由<install_dir>/boards/<board_name>/*.ld链接文件决定。
对于M7程序的固化，在进入Linux系统后，可以调用flash_opt命令进行设置。flash_opt在将M7程序固化到系统eMMC的同时，会根据烧写文件的尾缀进行相应设置，以便在系统启动时能根据设置自动将M7程序加载到TCM或DDR中运行。具体步骤为：将需要烧写的程序（以hello_world.bin为例），拷贝到主板可以访问的目录中（比如/mnt/mmc），并根据程序实际运行的位置对程序重命名，如果程序是在TCM中运行，则需要命名为hello_world_tcm.bin，如果是在DDR在运行，则命名为hello_world_ddr.bin。重命名只是为了满足flash_opt对命令格式的要求，程序在编译时必须根据程序加载的位置选择对应的*.ld文件。
执行烧写命令（以烧写到TCM为例）：
#>flash_opt m7 hello_world_tcm.bin
操作完成后，就可以重启主板，此后系统在启动时就会自动运行M7程序hello_world.bin了，如果要更新程序，重复上述操作即可。
M7程序一旦通过flash_opt固化到系统中，在系统每次启动时M7程序就会自动加载运行，此时就不能再在U-boot中手动下载、启动M7程序进行调试。如果要重新在U-boot中调试M7程序，需要在Linux中执行#>flash_opt m7 dump.bin来擦除先前写入的应用程序，dump.bin实际上是一个内容全为0xFF的二进行文件。