痞子衡嵌入式：了解i.MXRT1xxx系列里負(fù)責(zé)動態(tài)分配ITCM/DTCM/OCRAM大小的FlexRAM模塊

眾所周知，i.MXRT系列內(nèi)部沒有非易失性存儲器，但內(nèi)部SRAM還是必備的，這個(gè)SRAM可用于存放data、Stack、Heap段或者Non-XIP代碼text段等。我們知道Cortex-M7架構(gòu)引入了TCM屬性的靜態(tài)內(nèi)存，以Cortex-M7為內(nèi)核的i.MXRT當(dāng)然要支持TCM，除了TCM之外，i.MXRT還支持普通的OCRAM（On-chip SRAM），TCM和OCRAM在i.MXRT里都有著各自不可替代的應(yīng)用場合，而在不同的具體應(yīng)用中，TCM和OCRAM大小需求是不同的。為了能夠靈活調(diào)整TCM和OCRAM大小，i.MXRT中引入了FlexRAM這個(gè)外設(shè)，今天痞子衡就跟大家聊一聊FlexRAM

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　　大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是恩智浦i.MX RT1xxx系列MCU的FlexRAM外設(shè)。

　　本文是外設(shè)系列第二篇，上一篇講的是離內(nèi)核最近的高速緩存L1 Cache，今天咱們聊離內(nèi)核第二近的靜態(tài)內(nèi)存SRAM。眾所周知，i.MXRT系列內(nèi)部沒有非易失性存儲器，但內(nèi)部SRAM還是必備的，這個(gè)SRAM可用于存放data、Stack、Heap段或者Non-XIP代碼text段等。我們知道Cortex-M7架構(gòu)引入了TCM屬性的靜態(tài)內(nèi)存，以Cortex-M7為內(nèi)核的i.MXRT當(dāng)然要支持TCM，除了TCM之外，i.MXRT還支持普通的OCRAM（On-chip SRAM），TCM和OCRAM在i.MXRT里都有著各自不可替代的應(yīng)用場合，而在不同的具體應(yīng)用中，TCM和OCRAM大小需求是不同的。為了能夠靈活調(diào)整TCM和OCRAM大小，i.MXRT中引入了FlexRAM這個(gè)外設(shè)，今天痞子衡就跟大家聊一聊FlexRAM：

一、FlexRAM原理

　　關(guān)于FlexRAM原理，下面這一張模塊框圖基本就概括了FlexRAM方方面面，包含F(xiàn)lexRAM三種形態(tài)（ITCM/DTCM/OCRAM）、系統(tǒng)總線連接、區(qū)域供電控制、大小分配控制等。下面咱們就來分別聊：

1.1 內(nèi)存結(jié)構(gòu)

　　先說FlexRAM內(nèi)存結(jié)構(gòu)，不管FlexRAM處于哪種形態(tài)（ITCM/DTCM/OCRAM），其本質(zhì)上還是SRAM。因?yàn)镕lexRAM需要被動態(tài)配置成不同形態(tài)，因此SRAM被劃分成很多小塊，每個(gè)小塊稱為一個(gè)Bank，Bank是配置形態(tài)的最小單元。i.MXRT里每個(gè)Bank的SRAM大小為32KB（見下圖中RAM_x_y，每個(gè)Bank雖由2個(gè)16KB RAM Block組成，但這兩個(gè)RAM block是綁定在一條線上的，不可分割）

1.2 速度(性能)

　　再聊FlexRAM性能，F(xiàn)lexRAM三種形態(tài)（ITCM/DTCM/OCRAM）訪問速度是不一樣的，這主要是因?yàn)閽斓目偩€類型不一樣。TCM分為ITCM和DTCM，分別掛在64bit的I-TCM和2x32bit的D-TCM總線上，而OCRAM則掛在了64bit的AXI總線上。

? Integrated I-TCM and D-TCM RAM controller
  ? 64-bit I-TCM interface and 2x 32-bit D-TCM interface.
  ? Synchronous interface to the M7 Core,run at the same frequency as the core
? Integrated OCRAM controller
  ? As slave module on the 64-bit system AXI bus
  ? Synchronous to the system bus, runs at the same frequency as bus fabric

　　TCM總線總是跟內(nèi)核同頻，AXI Master總線也是跟內(nèi)核同頻，但是AXI總線經(jīng)由NIC-301模塊中轉(zhuǎn)處理后才輸出給OCRAM，NIC-301固定工作在1/4內(nèi)核主頻下，因此OCRAM主頻也只有內(nèi)核頻率的1/4。

　　下圖是RT1050上FlexRAM與內(nèi)核之間的具體連接（圖中SIM_M7頻率是132MHz，這是以528MHz標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核主頻的1/4來算的）：

　　下圖是RT1170上FlexRAM與內(nèi)核之間的具體連接（圖中SIM_M7頻率是240MHz，這是以960MHz標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核主頻的1/4來算的）：

　　雖然OCRAM工作頻率比TCM低，但并不意味著放在OCRAM上的數(shù)據(jù)訪問效率永遠(yuǎn)都比TCM訪問效率低。TCM因?yàn)樗俣扰cL1 Cache一樣，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)里其不會被L1 Cache緩存，但OCRAM是可以掛在L1 Cache上，有了Cache助陣，OCRAM上數(shù)據(jù)訪問效率并不一定比TCM慢。

1.3 供電管理

　　說說FlexRAM功耗控制，這部分在不同i.MXRT芯片上差異較大。FlexRAM最多有三個(gè)電源域，分別是PDRET、PDRAM0、PDRAM1，這三個(gè)域在不同的系統(tǒng)功耗模式下的開關(guān)狀態(tài)如下：

　　PDRET域只在SNVS模式下才會關(guān)閉，基本上算是永遠(yuǎn)在工作了。PDRAM0域僅當(dāng)內(nèi)核suspend的時(shí)候，才可以被主動關(guān)閉。PDRAM1域在任意IDLE模式都可以被主動關(guān)閉。PDRAMx域的開關(guān)控制在GPC模塊里（PDRAM0的控制在GPC->CNTR，PDRAM1的控制在PGC->MEGA_CTRL，PGC是GPC里的子模塊）。

　　下面我們來看一下目前唯一一款三個(gè)FlexRAM電源域均支持的i.MXRT芯片（RT1050）上具體FlexRAM劃分，從下圖中我們可以看出Bank0屬于PDRET域，Bank1-7屬于PDRAM0域，Bank8-15屬于PDRAM1域。

　　痞子衡前面講過，F(xiàn)lexRAM功耗控制在不同i.MXRT芯片上差異較大，主要是因?yàn)檫@三個(gè)電源域在不同i.MXRT芯片上控制的Bank不同。之所以有這種差異是因?yàn)椴煌琲.MXRT芯片Bank數(shù)量不一，并且有的i.MXRT除了支持FlexRAM之外，還支持額外的OCRAM（不屬于FlexRAM范疇），因此功耗管理策略不一。下表很好地總結(jié)了不同i.MXRT芯片上FlexRAM電源域控制：

芯片	FlexRAM電源域
	PDRET	PDRAM0	PDRAM1
i.MXRT117x	-	Bank0-15	-
i.MXRT106x	-	Bank0-15	-
i.MXRT105x	Bank0	Bank1-7	Bank8-15
i.MXRT1021	Bank0-7	-	-
i.MXRT101x	Bank0-3	-	-

二、FlexRAM配置

　　前面扯了些FlexRAM原理，痞子衡知道大家略嫌枯燥，下面咱就上點(diǎn)干貨，談一談大家最關(guān)心的FlexRAM怎么具體配置三種形態(tài)（ITCM、DTCM、OCRAM），這也是大家在做項(xiàng)目時(shí)最常用的功能。

2.1 內(nèi)存容量

　　i.MXRT各芯片內(nèi)存容量是不一樣的，我們知道每個(gè)SRAM Bank都是32KB，內(nèi)存容量不同則Bank數(shù)量不同，下表羅列了各i.MXRT芯片F(xiàn)lexRAM大小及Bank數(shù)：

芯片	FlexRAM大小	Bank數(shù)量	獨(dú)立OCRAM大小
i.MXRT117x	512KB	16個(gè)，Bank0-15	1.5MB
i.MXRT106x	512KB	16個(gè)，Bank0-15	512KB
i.MXRT105x	512KB	16個(gè)，Bank0-15	-
i.MXRT1021	256KB	8個(gè)，Bank0-7	-
i.MXRT101x	128KB	4個(gè)，Bank0-3	-

2.2 映射地址

　　在講FlexRAM配置前，首先有必要交待一下FlexRAM各形態(tài)在ARM 4GB地址空間中的映射。對于CM7主核而言，ITCM永遠(yuǎn)是從0x0000_0000地址開始映射，DTCM永遠(yuǎn)是從0x2000_0000開始映射，而OCRAM的起始映射地址因i.MXRT芯片而異（如果i.MXRT中沒有非FlexRAM屬性的OCRAM，那么就從0x2020_0000開始映射；如果i.MXRT中有獨(dú)立的OCRAM，那么那個(gè)獨(dú)立的OCRAM從0x2020_0000開始映射，屬于FlexRAM的OCRAM則緊隨其后映射）。

　　下表是RT1050上的FlexRAM映射地址（RT1050沒有獨(dú)立的OCRAM，則OCRAM從0x2020_0000開始映射）：

　　下表是RT1060上的FlexRAM映射地址（RT1060有512KB獨(dú)立的OCRAM，屬于FlexRAM的OCRAM則從0x2028_0000開始映射）：

　　下表是RT1170的CM7內(nèi)核上的FlexRAM映射地址（其實(shí)CM7/CM4核下均可以看到全部1.375MB獨(dú)立的OCRAM，屬于FlexRAM的OCRAM則從0x2036_0000開始映射，這里需要注意FlexRAM總大小顯示有640KB，其中包含了128KB的ECC RAM（如ECC功能不啟動，則就是普通OCRAM））：

2.3 靜態(tài)配置

　　確定了FlexRAM各形態(tài)起始映射地址，那么FlexRAM配置主要就是關(guān)心每個(gè)形態(tài)（ITCM/DTCM/OCRAM）的容量各配置多少。芯片POR上電后，i.MXRT默認(rèn)從eFuse中獲取FlexRAM各形態(tài)容量分配值。如果想用這種方式配置FlexRAM，只需要根據(jù)下面表格，找到合適的值燒寫進(jìn)eFuse即可，關(guān)于eFuse燒寫，可參考痞子衡這篇文章 《eFUSE及其燒寫方法》。需要注意的是燒寫完eFuse之后，需要復(fù)位才會生效。

　　下表適用128KB容量FlexRAM的RT10xx系列（如RT1011、RT1015）：

　　下表適用256KB容量FlexRAM的RT10xx系列（如RT1021）：

　　下表適用512KB容量FlexRAM的RT10xx系列（如RT105x、RT106x）：

　　下表適用512KB容量FlexRAM的RT11xx系列（如RT117x）：

2.4 動態(tài)配置

　　i.MXRT也支持利用IOMUXC_GPR寄存器來動態(tài)配置FlexRAM，這也是為了解決利用eFuse靜態(tài)配置FlexRAM的兩個(gè)主要缺點(diǎn)：

• Fuse燒寫僅可一次，因此無法多次調(diào)整FlexRAM配置
• Fuse中僅4/6bit配置位，沒有窮盡所有FlexRAM Bank組合

　　利用IOMUXC_GPR寄存器可以多次重復(fù)配置FlexRAM各形態(tài)容量，并且配置是立即生效的，而且IOMUXC_GPR寄存器僅在POR時(shí)才被復(fù)位，普通System Reset無法復(fù)位其值。利用IOMUXC_GPR寄存器配置FlexRAM需要按照如下步驟來操作：

2.4.1 分配Bank

　　首先是指定FlexRAM各Bank的分配情況，利用IOMUXC_GPR17寄存器的FLEXRAM_BANK_CFG位，你可以自由指定每個(gè)Bank最終形態(tài)（ITCM/DTCM/OCRAM）。

2.4.2 激活Bank分配

　　分配好各Bank形態(tài)后，將IOMUXC_GPR16寄存器的FLEXRAM_BANK_CFG_SET置位，F(xiàn)LEXRAM_BANK_CFG指定的配置即立刻生效，此時(shí)你去訪問ITCM/DTCM/OCRAM，已經(jīng)是新配置下的映射空間了。

　　我們使用J-Link在RT1050上做個(gè)實(shí)驗(yàn)：

2.4.3 禁掉TCM（可選）

　　如果前面Bank分配時(shí)，沒有分配ITCM或DTCM，那么最好在IOMUXC_GPR16寄存器里將對應(yīng)INIT_ITCM/DTCM_EN位給清零。默認(rèn)ITCM/DTCM都是使能的，如果INIT_ITCM/DTCM_EN位被禁掉，需要軟復(fù)位才會生效，軟復(fù)位后內(nèi)核無法正常TCM映射地址空間，無論Bank分配時(shí)是否預(yù)留了TCM空間。痞子衡建議這一步可以不做，就一直默認(rèn)TCM使能。

　　我們使用J-Link在RT1050上做個(gè)實(shí)驗(yàn)：

2.4.4 調(diào)整TCM容量（可選）

　　最后就是根據(jù)前面的Bank分配，在IOMUXC_GPR14或者IOMUXC_GPR16寄存器里設(shè)置CFGITCMSZ/CFGDTCMSZ重新調(diào)整ITCM/DTCM容量，TCM容量調(diào)整是立刻生效的，這決定內(nèi)核可能訪問到的最大TCM空間。默認(rèn)ITCM/DTCM容量都是FlexRAM總?cè)萘?，這并不代表ITCM/DTCM實(shí)際容量，只代表ITCM/DTCM可能的最大容量。痞子衡建議這一步也可以不做，就一直默認(rèn)配置TCM到最大容量。

　　我們使用J-Link在RT1050上做個(gè)實(shí)驗(yàn)：

2.4.5 示例代碼

　　如果使用FlexRAM動態(tài)配置，這段配置代碼需要嵌入到應(yīng)用程序里，每次程序跑之前都需要配一次。由于涉及到FlexRAM重新配置了，因此配置代碼運(yùn)行時(shí)必須不能依賴任何FlexRAM空間，程序text段最好是鏈接在外部Flash中或者外部RAM（SDRAM/HyperRAM）中。

　　如果text段鏈接是合乎條件的應(yīng)用程序，配置代碼在應(yīng)用程序中的邏輯位置也需要注意，需要放在data/bss段初始化以任何函數(shù)調(diào)用（壓棧）之前（此處假設(shè)TCM用作了存放data或STACK功能），因此最佳位置就是在Reset_Handler，應(yīng)用程序一上來就執(zhí)行FlexRAM動態(tài)配置。

　　RT1050示例匯編代碼如下（默認(rèn)eFuse配置128KB ITCM, 128KB DTCM, 256KB DTCM，我們使用IOMUXC_GPR動態(tài)配置成64KB ITCM, 128KB DTCM, 320KB OCRAM），應(yīng)用程序工程預(yù)編譯選項(xiàng)里應(yīng)設(shè)FLEXRAM_CFG_ENABLE=1，并且無需定義FLEXRAM_ITCM/DTCM_ZERO_SIZE。

__iomux_gpr14_adr     EQU  0x400AC038
__iomux_gpr16_adr     EQU  0x400AC040
__iomux_gpr17_adr     EQU  0x400AC044

__flexram_bank_cfg    EQU  0x55555FAA

__flexram_itcm_size   EQU  0x7        ;64KB
__flexram_dtcm_size   EQU  0x8        ;128KB

Reset_Hanlder
    CPSID I                     ;關(guān)閉全局中斷

;//////////////////////////////////////
#ifdef FLEXRAM_CFG_ENABLE
    ;分配Bank，并且激活Bank配置
    LDR R0,=__iomux_gpr17_adr
    MOV32 R1,__flexram_bank_cfg
    STR R1,[R0]
    LDR R0,=__iomux_gpr16_adr
    LDR R1,[R0]
    ORR R1,R1,#4
    STR R1,[R0]
;//////////////////////////////
#ifdef FLEXRAM_ITCM_ZERO_SIZE
    ;禁掉ITCM
    LDR R0,=__iomux_gpr16_adr
    LDR R1,[R0]
    AND R1,R1,#0xFFFFFFFE
    STR R1,[R0]
#endif
;//////////////////////////////
#ifdef FLEXRAM_DTCM_ZERO_SIZE
    ;禁掉DTCM
    LDR R0,=__iomux_gpr16_adr
    LDR R1,[R0]
    AND R1,R1,#0xFFFFFFFD
    STR R1,[R0]
#endif
;//////////////////////////////////////
    ;調(diào)整TCM容量
    LDR R0,=__iomux_gpr14_adr
    LDR R1,[R0]
    MOVT R1,#0x0000
    MOV R2,#__flexram_itcm_size
    MOV R3,#__flexram_dtcm_size
    LSL R2,R2,#16
    LSL R3,R3,#20
    ORR R1,R2,R3
    STR R1,[R0]
#endif
;//////////////////////////////////////
    LDR R0,=0xE000ED08
    LDR R1,=__vector_table
    STR R1,[R0]
    LDR R2,[R1]
    MSR MSP,R2
    LDR R0,=SystemInit
    BLX R0
    CPSIE I
    LDR R0,=-_iar_program_start
    BX R0

　　至此，恩智浦i.MX RT1xxx系列MCU的FlexRAM外設(shè)痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~

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