基于nxp MCIMX6S6AVM08AC的汽车电子主板解析之硬件系统、调试串口

zhangyiwei

这是基于 NXP i.MX6DL CPU的天宝187A主板，那么给大家分析一下它的硬件系统和调试串口。
1、硬件系统




主板正面有很多芯片，首先看电源部分。电源由汽车蓄电池直接供电，汽车启动后就是发电机供电，因此输入电压应是12-14V大概这个范围。
首先电源经过了一个STPS41H100CGY，这是一个肖特基二极管，整流作用，不关心。然后有一些大电容，大电感，背面有一个SOT23-5封装的IC，难道是DCDC？由于这部分电路靠近功放IC，不想继续追究他，无非就是一些给功放IC供电的滤波电路或者开关电路。毕竟车机接的是蓄电池，功放IC是不可能一直工作的。
接下来会看到很多电源IC，小电感，还有很多1206封装的电容，这肯定是给CPU或其他芯片供电的部分。首先负责12V转5V供电的有两个芯片。TI德州仪器SSOP-10封装的TPS54260-Q1，IC丝印是5426Q。MAXIM美信QFN-28封装的MAX16984，IC丝印是16984RA。

TPS54260是一颗宽电压输入(3.5V-60V)，2.5A电流的DCDC降压IC，在这里设计12V输入，5V输出，由于电感体积很大，大过其他几个电感，应该是主要供电。美信的MAX16984是设计给USB供电的，电流是2.5A，很高啊，看来是可以满足iPad2.1A充电的，设计的比较有良心……

往上看还有3颗电源IC，分别是两颗德州仪器QFN-16封装的TPS54388Q1，丝印5438Q，一颗安森美DFN-10封装的NCV896530，丝印是完整型号。

TPS54388-Q1，2.95V-6V输入，3A输出。NCV896530，2.7V-5.5V输入，两路1A输出。其中一颗TPS54388-Q1负责5V转1.5V给DDR3内存供电，另一颗TPS54388-Q1负责5V转1.375V给CPU核心供电。NCV896530负责5V转1.8V和3.3V，应该是IO供电和外设供电。
靠近大插座附近有一个CAN PHY芯片，附近还有一颗电源芯片，丝印是BLW N EO，查不到具体型号，但是他附近没有电感，应该是一颗LDO降压芯片，测量结果是12V转3.3V，是给旁边这颗MCU供电的，这样大的压差使用LDO供电非常不明智…唯一的解释就是这个MCU功耗非常低，使用LDO设计上合理，成本上也合理…

分析了这么多硬件电源部分，感觉好无聊。其实在我看来分析一个系统是否成功，首先就要看他的供电设计，这部分是核心，供电设计的好不好，关乎整个系统工作是否稳定。另外，我没有看到高级电源管理IC，此处也是一个疑问，不过后面的分析可以解答这个问题。
接下来登场的是系统主要芯片。CPU是飞思卡尔（已被NXP恩智浦收购）公司的i.MX6DL，型号是MCIMX6S6AVM08AC。双核Cortex-A9，最高1G工作频率，内置2D/3D图形处理单元，具有1080p图像处理能力，支持丰富外设。看起来很强大的样子。

DRAM是南亚的NT5CB128M16FP-D1H，16位，256MB，DDR3，1.5V。

闪存使用的是Spansion的ML02G100BHA00，256Mx8 NANDFLASH，3.3V。

还有一颗QFP-100封装的芯片R7F7010253，直接搜索这个型号其实只能得知他是一颗瑞萨设计的芯片，其实他有个代号是RH850，搜这个代号能找到更多的资料，还有开发工具，但是就是找不到datasheet。

瑞萨这家公司主要设计生产MCU微控制器，汽车领域是其主要业务。
经过后面结合软件部分的一番分析得知，这个MCU的作用其实是CAN通信、硬件身份信息（零件号，序列号）、电源管理。没错，电源管理，因为汽车通信网是CAN总线，因此这款机器的电源其实也是受CAN总线管理的。
由于缺乏这颗MCU更详细的datasheet资料，不能找到具体哪些引脚对应哪些功能，不过后来我还是找到了控制每个电源IC使能引脚(EN)，以及CPU复位引脚(POR_B)所对应的引脚，这些后面结合软件部分再说。
主板背面还有2个芯片，一个是ANALOG亚德诺的ADV7182，负责倒车影像摄像头信号转换（AV转数字信号）。还有一个丝印是2313，查不到具体型号，看旁边的测试点，和I2C总线相关，作用不明。

硬件就先讲到这，大家是不是以为我是一个硬件工程师？其实我只是个业余的…硬件不是我的本职工作，不过我给公司客串过硬件设计，做过一个小产品，从硬件电路设计，到PCB Layout，从MCU固件，到产测软件，都被我包了，公司小，又是做软件的，请个硬件工程师没必要，就让我上了…还好这个项目比较小，不然我真要累死…
了解了天宝187A的硬件组成，就方便了接下来开展Hack行动！


2、调试串口
Hack一台硬件和软件公开资料并不多的主板，最好的入口点就是寻找他的调试接口。很多产品的主板在设计时都会将TTL串口，JTAG这种关键的接口在主板上以插针或测试点(TestPad)的方式引出来，这种方式很普遍，比如说常用的路由器，大部分路由器都引出了TTL串口，少部分还引出了JTAG调试接口；3.5寸/2.5寸硬盘主板背面是不是有2排测试点？没错，这也是串口和JTAG。
其实不局限于常见的这些产品，绝大多数产品，都会引出TTL或JTAG，这主要是为了方便生产和测试，一颗CPU或MCU芯片、或者FLASH芯片，在工厂SMT贴在主板上后，里面是没有程序的，程序怎么烧进去？这就需要TTL或JTAG接口来实现了，有些带USB接口的还可以从USB引导烧入。
串口和JTAG是生产测试所必须的接口，我想应该很少有人会把烧程序这个阶段放在SMT工艺前面，再说还有测试环节怎么办，盲测？不可能嘛……比如下面这张是从网上找到的硬盘主板和很常见的路由主板，上面都有TTL接口或JTAG接口。


有些人没做过硬件开发，我在这里简单解释下什么是TTL和JTAG。
TTL串口他就是一个串口，TTL电平，基本都是3线，TX，RX，GND，相比RS232来说，控制引脚、状态引脚基本都是不使用的。这其实简化了串口的使用难度，方便了开发，一般开发人员仅使用一个USB转串口的小板就能完成与目标板的通讯。
串口主要用途就是打印日志，方便开发人员确定程序状态，或对目标板进行控制。例如可以查看引导程序日志，打断引导，执行烧写固件指令，上传临时程序到RAM等等。另外使用串口还可以登录Linux系统的终端shell进行操作等等。
JTAG接口是CPU调试接口，通常由TDITDO TCK TMS这4个主要信号组成，一些系统还有TRST信号，用于复位JTAG状态机，还有nSRST用于复位CPU等等。使用这个接口需要与CPU搭配使用的硬件调试工具，每个CPU厂商所使用的工具是有一些区别的。
JTAG接口用途广泛，他可以在CPU上电后就打断CPU的运行，并直接操作CPU寄存器。如果开发Bootloader，或者相关底层的工作，也需要用到JTAG。
在生产测试环节，JTAG还可以测试CPU是否正常工作，读写DRAM，判断DRAM是否正常工作，还可以将程序烧写入Flash。
由于JTAG调试接口过于强大，大部分情况下为了避免自己的产品被山寨，制造商都会在产测结束后禁用掉这个JTAG接口，方法是烧掉CPU里面的熔丝，这个接口就不起作用了。
接下来开始在主板上找TTL和JTAG，JTAG很好找，就在主板背面，有几个较大的测试点，标明了TDI TDO TCK TMS等字样，这些应该就是CPU的JTAG接口了。

但是JTAG熔丝很可能被烧掉了，JTAG接口估计是废的。主要还是要找到调试串口。虽然有找到一些标注了TXD RXD丝印的测试点，但是很遗憾，经过连接测试后，这些并不是CPU的TTL调试串口，系统上电后根本没有任何字符串输出。

难道这个主板在设计时没有引出TTL串口吗？这怎么可能，太愚蠢了吧…
由于这个主板测试点非常多，密密麻麻很多小测试点，根本没有丝印标注，难道TTL串口就隐藏在这些没有丝印标注的小测试点吗？在这么多测试点里找到串口TX和RX信号，这看起来像是不可能完成的任务！


主板正面有两个没有焊接排线插座的焊盘，这两个排线插座都是18pin的，其中一个走线靠近瑞萨MCU，有可能是瑞萨MCU的产测接口。另一个排线插座顶层走线既不靠近CPU也不靠近MCU，但这并不意味着他没有在内层电路与CPU相连，这很有可能主CPU的产测接口。

但是很遗憾当时我并没有意识到这一点，我已经被密密麻麻的小测试点逼得抓狂了。接下来我甚至做了一系列现在想想觉得很愚蠢的事情，在此分享出来吧。
我在咸鱼上联系一位网友花废品价买了他一个报废的主板，为的就是拆CPU，寻找TXD，RXD的走线。我把主板上了热风枪拆焊台，把CPU吹了下来。

寻找NXP的SDK开发资料，找到了一个参考板的电路图，得知调试串口极有可能是UART4，TXD是Pin_W5，RXD是Pin_V6。我根据Datasheet上的引脚图去找W5和V6，然后通过BGA过孔找到背面的过孔焊盘，把焊盘的阻焊漆刮了，飞线，连接USB串口，上电发现并没有任何信息。
难道厂商的UBOOT没有启用串口？或者配置了额外的引脚作为调试串口？因为找不到正确的调试串口Pin，我的研究一度陷入了停滞。
接下来，我从网上找来网友分享的187A升级包，里面有Uboot镜像文件，我上了IDA，对比SDK中的Uboot源代码，找到了配置调试串口的数据。
<code>ROM:178013AC dword_178013AC  DCD 0x62C244            ; DATA XREF: sub_17801278+C8 ROM:178013B0 dword_178013B0  DCD 0x10000100          ; DATA XREF: sub_17801278+D4 ROM:178013BC dword_178013BC  DCD 0x14640258          ; DATA XREF: sub_17801278+ECr ROM:178013C0 dword_178013C0  DCD 0x3716348           ; DATA XREF: sub_17801278+F4r 通过分析uboot头文件mx6dl_pins.h中的宏定义，得出这就是头文件中定义的
<code>MX6_PAD_DECL(KEY_COL0__KEY_COL0,      0x062C, 0x0244, 3, 0x0000, 0, 0) MX6_PAD_DECL(KEY_ROW0__UART4_RX_DATA, 0x0640, 0x0258, 4, 0x0914, 3, 0) 对比datasheet，确定了串口4使用的确实是W5和V6。这就奇怪了，难道调试串口不是串口4？后来我又定位到了puts函数，然后进入putchar函数，发现写入的确实是串口4的寄存器。

现在已经可以从代码上确定，串口4就是调试串口，使用的引脚也确实是CPU的W5和V6，那为什么我在串口上看不到任何信息？
此刻我已经被密密麻麻的测试点、BGA过孔、没有任何符号的UbootIDA反汇编，折磨的想要放弃了。
过了几天，我觉得不服，钱不能白花，决定再战。我检查了Datasheet是否是这个型号CPU的Datasheet，仔细研究了BGA焊盘，过孔，走线，引脚图……等下，我看到datasheet引脚图上面写的是Bottom View！HOLYCRAP！我把这个图当作Top View来看了！

怪不得，我之前找的引脚是错！的！我把图垂直翻转，然后右转，右转，对齐了PinA1，找到W5V6的过孔，刮背面过孔焊盘，飞线，上电……串口终于找到了！此刻成功激动的心情简直无以言表。

后来我意识到那个18pin的排线插座极有可能引出了UART4，用表测了下，发现果然如此，那我之前的一系列行为岂不是很愚蠢……不过我又研究了这个18pin，发现他还引出了JTAG，USB Host。

接下来的研究，其实并不是按我文章的章节顺序展开的，我的研究流程比较混乱，因为涉及的内容繁杂，相互纠缠。因此本文接下来的内容并不是严格按时间顺序展开的。
未完，继续更新中……