痞子衡嵌入式：簡析i.MXRT1170 Cortex-M7 FlexRAM ECC功能特點、開啟步驟、性能影響

ECC是“Error Correcting Code”的簡寫，ECC能夠?qū)崿F(xiàn)錯誤檢查和糾正，含有ECC功能的內(nèi)存一般稱為ECC內(nèi)存，使用了ECC內(nèi)存的系統(tǒng)在穩(wěn)定性和可靠性上得到很大提升。相比前幾代不帶ECC的i.MXRT10xx型號，新一代i.MXRT1170在ECC上做了全面武裝，從eFuse到FlexRAM，從OCRAM到外部存儲空間全都加上了ECC功能。今天痞子衡就先給大家簡單介紹一下i.MXRT1170上Cortex-M7內(nèi)核下的FlexRAM ECC功能

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　　大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家分享的是恩智浦i.MXRT1170上Cortex-M7內(nèi)核的FlexRAM ECC功能。

　　ECC是“Error Correcting Code”的簡寫，ECC能夠?qū)崿F(xiàn)錯誤檢查和糾正，含有ECC功能的內(nèi)存一般稱為ECC內(nèi)存，使用了ECC內(nèi)存的系統(tǒng)在穩(wěn)定性和可靠性上得到很大提升。相比前幾代不帶ECC的i.MXRT10xx型號，新一代i.MXRT1170在ECC上做了全面武裝，從eFuse到FlexRAM，從OCRAM到外部存儲空間全都加上了ECC功能。如下表所示，不同類型的存儲由不同的ECC控制器來守護：

　　今天痞子衡就先給大家簡單介紹一下i.MXRT1170上Cortex-M7內(nèi)核下的FlexRAM ECC功能：

一、FlexRAM ECC功能簡介

1.1 FlexRAM v2特點

　　i.MXRT1170上的FlexRAM模塊是v2版本，相比i.MXRT10xx上的FlexRAM v1版本，主要就是增加了ECC功能。關(guān)于FlexRAM v1基本功能，建議你先閱讀痞子衡之前寫過的文章 《恩智浦i.MX RT1xxx系列MCU外設(shè)那些事（2）- 百變星君FlexRAM》，痞子衡今天主要聊v2新增的功能。

　　我們知道i.MXRT1170是Cortex-M7和Cortex-M4雙核架構(gòu)，我們看下它的CM7內(nèi)核系統(tǒng)框圖，F(xiàn)lexRAM本質(zhì)上是為CM7內(nèi)核設(shè)計的，因為其管理的TCM空間僅能由CM7訪問的，不過如果將FlexRAM也分配出一部分給OCRAM，這部分OCRAM（即文章開頭memory map表里從0x20360000開始的空間）其實CM4也能正常訪問。

　　在框圖中你還會發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)lexRAM中物理SRAM總大小是640KB，不是我們知道的可自由配置的512KB，這是因為需要額外128KB RAM來存放ECC校驗值，關(guān)于這個細節(jié)在下一節(jié)里展開聊。

1.2 關(guān)于ECC設(shè)計細節(jié)

　　關(guān)于ECC，大家最早接觸的應(yīng)該是ONFI Raw NAND上的應(yīng)用，NAND Flash因為其物理特性的原因（允許壞塊的存在），必須要包含ECC功能，痞子衡寫過的一篇文章 《并行NAND接口標準(ONFI)及SLC Raw NAND簡介》， 里面的 2.6 Raw NAND壞塊與ECC 簡單介紹了ECC在Raw NAND上的應(yīng)用。

　　在Raw NAND上，通常是每寫入512bytes數(shù)據(jù)計算出一個ECC校驗值（4bytes），讀取時也是讀完全部512bytes數(shù)據(jù)后進行ECC校驗，ECC校驗?zāi)芰σ话阌?(n+1) bit檢錯，n bit糾錯 來表達，即這512bytes數(shù)據(jù)里如果發(fā)生n+1 bit及以下的錯誤時能夠檢查出來，如果發(fā)生n bit及以下的錯誤時，能夠自動糾正。比如典型的Micron MT29F4G08就是5-bit檢錯，4-bit糾錯。

　　但是FlexRAM本質(zhì)上是RAM，跟Flash（尤其是NAND）讀寫機制不一樣，RAM是隨機地址按Byte讀寫，NAND是以Page為單位順序讀寫，所以NAND上ECC實現(xiàn)機制不適用于RAM。那么FlexRAM到底采用的是什么樣的ECC設(shè)計呢？

nand_ecc.c，寫得非常經(jīng)典。

存儲類型	ECC校驗數(shù)據(jù)塊大小	ECC校驗值長度	ECC校驗?zāi)芰?/th>
Raw NAND	512 bytes	4 bytes	5-bit檢錯，4-bit糾錯
FlexRAM	4/8 bytes	7/8 bits	2-bit檢錯，1-bit糾錯

1.2.2 ECC RAM分配

　　128KB ECC RAM并不是只能用來存儲ECC校驗值的，其也可以當做普通OCRAM來使用，ECC RAM具體功能是根據(jù)當前FlexRAM分配以及ECC是否開啟而定的。eFuse里默認的512KB FlexRAM配置是256KB ITCM, 256KB DTCM, 沒有OCRAM。

　　在默認FlexRAM配置情況下，如果TCM ECC沒有開啟，那么128KB ECC RAM全部都是普通OCRAM，其地址空間如下表所示：

　　在默認FlexRAM配置情況下，如果TCM ECC已經(jīng)開啟，那么128KB ECC RAM全部都用來存儲ECC校驗值，這個區(qū)域僅能由FlexRAM模塊內(nèi)部訪問，用戶無法訪問這128KB區(qū)域（不在memory map空間里），畢竟ECC校驗值不能被隨便改。

　　如果我們在eFuse或者IOMUXC_GPR寄存器里將FlexRAM配置改掉，分配出一部分給OCRAM（比如256KB TCM, 256KB OCRAM），那這128KB ECC RAM功能分配就稍微復(fù)雜一些了。最簡單的情況是TCM和OCRAM ECC都沒有開啟，那么這128KB ECC RAM還是普通OCRAM，map地址是緊跟在FlexRAM OCRAM后面的，如下表所示：

　　如果TCM和OCRAM ECC都開啟了，那么這128KB ECC RAM就還是全部用來存儲ECC校驗值了，用戶無法訪問。

　　如果OCRAM ECC沒有開啟，不管TCM ECC是否開啟，這128KB ECC RAM中本用于存儲OCRAM ECC的區(qū)域都將被劃分為普通OCRAM，另一部分用于存儲TCM ECC的區(qū)域（無論是否真的要存儲ECC校驗值）用戶則無法訪問。區(qū)域劃分比例與OCRAM在總FlexRAM大小中占比保持一致，比如512KB FlexRAM（一共16個bank，每個bank 32KB）劃分出了256KB OCRAM，那么128KB ECC RAM（也是16個bank，每個bank 8KB）則劃出了64KB作為普通OCRAM，如下表所示：

1.2.3 ECC錯誤觸發(fā)處理

　　ECC錯誤分兩種，分別是1-bit錯誤和2-bit錯誤。從軟件層面來看，1-bit錯誤可以不用管，F(xiàn)lexRAM模塊會自動糾錯。我們主要處理2-bit錯誤，由于2-bit錯誤僅能檢錯，無法糾錯，所以發(fā)生了這個錯誤，就意味著讀取的數(shù)據(jù)不可靠了，需要丟棄并重新寫一次（丟棄之前可以再retry read一次看是否還是報錯）。

　　關(guān)于ECC錯誤處理，可根據(jù)如下FlexRAM寄存器來操作，首先當然是在INT_SIG_EN寄存器中使能multi-bit ECC Error，當有2-bit錯誤發(fā)生時，系統(tǒng)會觸發(fā)FLEXRAM_IRQn（中斷號是50），在中斷處理程序里找到相應(yīng)的ECC_MULTI_ERROR_ADDR，對這個地址重新寫一次初始化數(shù)據(jù)（按ECC校驗塊長度一次性寫入），最后清除INT_STATUS寄存器里的相應(yīng)狀態(tài)位。

　　需要注意的是，上述處理流程僅對FlexRAM中存放的是普通業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)且發(fā)生ECC錯誤時有效，如果ECC錯誤發(fā)生在關(guān)鍵代碼段或變量段中，這個處理是不適用的，因為這種ECC錯誤可能會造成程序崩潰。

Offset	Register
10h	Interrupt Status Register (INT_STATUS)
14h	Interrupt Status Enable Register (INT_STAT_EN)
18h	Interrupt Enable Register (INT_SIG_EN)
30h	OCRAM multi-bit ECC Error Address Register (OCRAM_ECC_MULTI_ERROR_ADDR)
50h	ITCM multi-bit ECC Error Address Register (ITCM_ECC_MULTI_ERROR_ADDR)
6Ch	D0TCM multi-bit ECC Error Address Register (D0TCM_ECC_MULTI_ERROR_ADDR)
84h	D1TCM multi-bit ECC Error Address Register (D1TCM_ECC_MULTI_ERROR_ADDR)

二、開啟FlexRAM ECC的步驟

　　FlexRAM ECC需要按照標準步驟去開啟，需要特別注意的是開啟ECC操作的代碼不能放在待開啟ECC的FlexRAM空間里（比如TCM ECC要開啟，那么開啟ECC操作的代碼不能使用任何TCM空間），因此不管是XIP還是Non-XIP應(yīng)用程序，最好是用一個二級loader（這個loader可以鏈接在固定OCRAM1/2空間里，或者XIP）來完成ECC開啟操作然后再加載應(yīng)用程序執(zhí)行。痞子衡給了如下示例loader代碼工程，代碼里主要有四個步驟：

參考代碼：https://github.com/JayHeng/cortex-m-apps/blob/master/apps/coremark_imxrt1176/cm7_loader/loader.c

2.1 使能TCM的RMW（可選）

　　如果需要開啟TCM ECC，那么首先需要在CM7內(nèi)核寄存器里開啟TCM RMW（Read-Modify-Write）功能，這是ARM的規(guī)定，可在 Cortex-M7 Technical RM 手冊里找到相關(guān)信息如下。手冊里明確寫了RMW位同時也控制了外部邏輯（即MCU廠商的設(shè)計）來支持ECC功能。

　　操作函數(shù)代碼如下：

void enable_cm7_tcm_rmw(void)
{
    SCB->ITCMCR |= SCB_ITCMCR_RMW_Msk;
    SCB->DTCMCR |= SCB_DTCMCR_RMW_Msk;
}

2.2 使能FlexRAM的ECC

　　現(xiàn)在需要開啟FlexRAM ECC，在i.MXRT1170參考手冊里的FlexRAM章節(jié)可以找到FLEXRAM_CTRL寄存器定義，其中bit5和bit4就是用來分別控制TCM和OCRAM的ECC開關(guān)。

　　操作函數(shù)代碼如下：

void enable_flexram_tcm_ecc(void)
{
    *(uint32_t *)(FLEXRAM_BASE + 0x108) |= (1u << 5);
}

void enable_flexram_ocram_ecc(void)
{
    *(uint32_t *)(FLEXRAM_BASE + 0x108) |= (1u << 4);
}

2.3 初始化FlexRAM的ECC值

　　FlexRAM ECC開啟了之后，此時還不能隨機訪問FlexRAM，因為初始ECC校驗值還沒有填充，如果這時候去讀FlexRAM會產(chǎn)生錯誤。我們首先需要將會用到的FlexRAM空間全部初始化一遍（就是以ECC校驗數(shù)據(jù)塊大小對齊方式從頭到尾寫入一遍，寫入內(nèi)容不限，正常用全0）。

　　操作函數(shù)代碼如下：

#define ITCM_START   0x00000000
#define ITCM_SIZE    (256*1024U)  //只是示例長度，根據(jù)實際情況修改
#define DTCM_START   0x20000000
#define DTCM_SIZE    (256*1024U)  //只是示例長度，根據(jù)實際情況修改
#define OCRAM_START  0x20360000
#define OCRAM_SIZE   (256*1024U)  //只是示例長度，根據(jù)實際情況修改

void init_flexram_itcm_ecc(void)
{
    for (uint32_t i = 0; i < ITCM_SIZE; i += sizeof(uint64_t))
    {
        *(uint64_t *)(ITCM_START + i) = 0;
    }
}

void init_flexram_dtcm_ecc(void)
{
    for (uint32_t i = 0; i < DTCM_SIZE; i += sizeof(uint32_t))
    {
        *(uint32_t *)(DTCM_START + i) = 0;
    }
}

void init_flexram_ocram_ecc(void)
{
    for (uint32_t i = 0; i < OCRAM_SIZE; i += sizeof(uint64_t))
    {
        *(uint64_t *)(OCRAM_START + i) = 0;
    }
}

2.4 加載應(yīng)用程序執(zhí)行

　　當FlexRAM初始ECC校驗值已經(jīng)被填充之后，此時便可以正常隨機讀寫FlexRAM了。如果此時加載的是一個在ITCM里執(zhí)行并且data段在DTCM里的應(yīng)用程序，可以參考痞子衡前面給出的示例loader工程。

　　這是loader工程完整主函數(shù)代碼，其中memcpy那一句代碼里的cm7_app_code是應(yīng)用程序binary數(shù)組（用Python腳本將應(yīng)用程序工程生成的.bin文件轉(zhuǎn)換成C語言數(shù)組放到loader工程源文件里）。

#define APP_START 0U

uint32_t s_appStack = 0;
uint32_t s_appEntry = 0;

typedef void (*call_function_t)(void);
call_function_t s_callFunction = 0;

int main(void)
{
    enable_cm7_tcm_ecc();
    enable_flexram_tcm_ecc();
    init_flexram_itcm_ecc();
    init_flexram_dtcm_ecc();

    // Copy image to RAM.
    memcpy((void *)APP_START, cm7_app_code, APP_LEN);
    
    s_appStack = *(uint32_t *)(APP_START);
    s_appEntry = *(uint32_t *)(APP_START + 4);

    // Turn off interrupts.
    __disable_irq();

    // Set the VTOR to default.
    SCB->VTOR = APP_START;

    // Memory barriers for good measure.
    __ISB();
    __DSB();

    // Set main stack pointer and process stack pointer.
    __set_MSP(s_appStack);
    __set_PSP(s_appStack);

    // Jump to app entry point, does not return.
    s_callFunction = (call_function_t)s_appEntry;
    s_callFunction();

    while (1);
}

三、ECC對內(nèi)存訪問性能的影響

　　FlexRAM開了ECC后，訪問性能會有一定降低，畢竟數(shù)據(jù)訪問中插入了額外的ECC校驗工作，不過這個影響非常小，因為一次ECC校驗僅增加1-2個機器cycle。下面是FlexRAM分配出的不同存儲類型的基本情況，其中OCRAM可以被L1 Cache加速，所以從應(yīng)用程序角度開ECC對其訪問性能影響就更小了，我們主要討論ECC對TCM性能的影響。

FlexRAM分配類型	ECC校驗數(shù)據(jù)塊大小	總線類型	訪問速度	L1 Cache加速
ITCM	8 bytes	ITCM_ITF 64-bits	與CM7同頻	否
DTCM	4 bytes	DTCM_ITF 2x32-bit	與CM7同頻	否
OCRAM	8 bytes	AXI64	與CM7頻率的1/4	是

　　為了簡化測試，痞子衡就用經(jīng)典的benchmark程序（Coremark和Dhrystone）來測試ECC對TCM的影響，測試工程如下：

Coremark工程：https://github.com/JayHeng/cortex-m-apps/tree/master/apps/coremark_imxrt1176/bsp/build7804_cm7_loader
Dhrystone工程：https://github.com/JayHeng/cortex-m-apps/tree/master/apps/dhrystone_imxrt1176/bsp/build8402_cm7_loader

　　需要特別提醒的是，我們知道i.MXRT1170 CM7內(nèi)核最高可以配置到1GHz，但是開了TCM ECC后，為了保證訪問可靠性，此時CM7內(nèi)核最好是工作在800MHz，下面的benchmark結(jié)果也是在800MHz主頻下得到的：

Benchmark類型	TCM ECC開關(guān)	Benchmark結(jié)果
coremark	關(guān)閉	Total ticks : 2023600 Total time (secs): 20.236000 Iterations/Sec : 3953.350465 Iterations : 80000 CoreMark 1.0 : 3953.350465
coremark	開啟	Total ticks : 2023657 Total time (secs): 20.236570 Iterations/Sec : 3953.239111 Iterations : 80000 CoreMark 1.0 : 3953.239111
dhrystone	關(guān)閉	Dhrystones per Second: 3622138.51 DMIPS: 2061.5472 DMIPS/MHz: 2.0698
dhrystone	開啟	Dhrystones per Second: 3621977.04 DMIPS: 2061.4553 DMIPS/MHz: 2.0697

　　從benchmark結(jié)果來看，ECC是否開啟對性能影響特別小，可以忽略，當然benchmark測試并不是特別精確地反映了性能影響，底下有空痞子衡會再專門用memcpy函數(shù)來測試性能影響。

　　至此，恩智浦i.MXRT1170上Cortex-M7內(nèi)核的FlexRAM ECC功能痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~

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