痞子衡嵌入式：實(shí)抓Flash信號(hào)波形來看i.MXRT的FlexSPI外設(shè)下AHB讀訪問情形（無緩存）

　　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實(shí)抓Flash信號(hào)波形來看i.MXRT的FlexSPI外設(shè)下AHB讀訪問情形。

　　上一篇文章《i.MXRT中FlexSPI外設(shè)對(duì)AHB Burst Read特性的支持》里痞子衡介紹了FlexSPI外設(shè)在不開啟Prefetch功能下響應(yīng)AHB master的訪問請(qǐng)求完全受AHB總線Burst Read特性決定，這是FlexSPI外設(shè)最基礎(chǔ)的對(duì)Flash訪問支持功能，研究這個(gè)其實(shí)是很有意義的，這可以反映出XiP下最原始的代碼執(zhí)行效率。

　　我們知道在實(shí)際項(xiàng)目中，XiP應(yīng)用程序常常是在L1 Cache和Prefetch加持下運(yùn)行的，代碼執(zhí)行效率會(huì)得到大大提升，但無論是怎樣的緩存策略，極限情況下（比如大數(shù)據(jù)塊搬移，長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)指令）最終還是拼得FlexSPI最基礎(chǔ)的讀訪問支持。今天痞子衡就從抓Flash信號(hào)波形角度帶大家真切感受下這最基礎(chǔ)的AHB讀訪問情形（為更清晰地分析結(jié)果，本次主要涉及數(shù)據(jù)總線AHB訪問，暫不涉及指令總線AHB訪問）：

一、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

　　痞子衡用i.MXRT1050-EVKB來做這個(gè)AHB讀訪問實(shí)驗(yàn)，這塊板子上的Flash被痞子衡更換過，目前的型號(hào)是華邦W25Q64JWS-IQ。我們基于 \SDK_2.9.1_EVKB-IMXRT1050\boards\evkbimxrt1050\demo_apps\led_blinky\iar 例程（記得切換到 flexspi_nor_debug build）來簡(jiǎn)單修改一下，把啟動(dòng)頭FDCB修改如下，設(shè)置Flash工作于30MHz Fast Read Quad I/O SDR模式，調(diào)成30MHz低速是為了方便后續(xù)用示波器抓Flash信號(hào)去分析。

const flexspi_nor_config_t qspiflash_config = {
    .memConfig =
        {
            .tag              = FLEXSPI_CFG_BLK_TAG,
            .version          = FLEXSPI_CFG_BLK_VERSION,
            .readSampleClkSrc = kFlexSPIReadSampleClk_LoopbackFromDqsPad,
            .csHoldTime       = 3u,
            .csSetupTime      = 3u,
            .controllerMiscOption = 0x10,
            .deviceType       = kFlexSpiDeviceType_SerialNOR,
            .sflashPadType    = kSerialFlash_4Pads,
            // Flash工作于30MHz
            .serialClkFreq    = kFlexSpiSerialClk_30MHz,
            .sflashA1Size     = 8u * 1024u * 1024u,
            .lookupTable =
                {
                    // Quad I/O Fast Read SDR LUTs
                    [4*CMD_LUT_SEQ_IDX_READ + 0] = FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR,   FLEXSPI_1PAD, 0xEB, RADDR_SDR, FLEXSPI_4PAD, 0x18),
                    [4*CMD_LUT_SEQ_IDX_READ + 1] = FLEXSPI_LUT_SEQ(MODE8_SDR, FLEXSPI_4PAD, 0xF0, DUMMY_SDR, FLEXSPI_4PAD, 0x04),
                    [4*CMD_LUT_SEQ_IDX_READ + 2] = FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_SDR,  FLEXSPI_4PAD, 0x04, STOP,      FLEXSPI_1PAD, 0x00),
                    [4*CMD_LUT_SEQ_IDX_READ + 3] = 0,
                },
        },
    .pageSize           = 256u,
    .sectorSize         = 4u * 1024u,
    .blockSize          = 64u * 1024u,
    .isUniformBlockSize = false,
};

　　下圖是華邦W25Q64JWS-IQ芯片的Fast Read Quad I/O SDR傳輸時(shí)序圖，Dummy Cycle連同MODE8_SDR序列一共6個(gè)SCK周期，此外還有個(gè)特別注意點(diǎn)，MODE8_SDR序列參數(shù)值需要被設(shè)成0xFx，我們上面修改的FDCB啟動(dòng)頭是符合要求的。

　　現(xiàn)在讓我們把示波器拿出來，四路探頭分別連到板載Flash器件的CE#、SCK、SI_IO0、SO_IO1引腳（IO2、IO3因探頭有限就不抓取了，IO[1:0]足夠我們分析時(shí)序了），然后將 led_blinky 工程下載進(jìn)Flash運(yùn)行便可以觀測(cè)結(jié)果了。

二、實(shí)驗(yàn)代碼

　　因?yàn)槲覀兿螺d的是一個(gè)XIP工程，代碼的執(zhí)行本身也會(huì)觸發(fā)Flash中的指令讀取，這會(huì)影響我們?cè)谑静ㄆ魃嫌^測(cè)AHB讀數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果，所以我們可以在main()函數(shù)里把SysTick初始化去掉（不要中斷），并且調(diào)用如下ramfunc型函數(shù) test_ahb_read() 來做測(cè)試（痞子衡直接利用了IAR軟件的特性），這樣代碼跑起來后，F(xiàn)lash上發(fā)生的讀訪問均來自我們想要測(cè)試的AHB讀數(shù)據(jù)操作（這也意味著ICache是否開啟對(duì)本系列測(cè)試結(jié)果沒有影響，但不管怎么，我們統(tǒng)一關(guān)掉）：

Note: DCache和Prefetch必須要全部關(guān)閉，否則哪怕測(cè)試代碼里對(duì)同一個(gè)地方循環(huán)讀取，但在Flash引腳上根本看不到周期性信號(hào)波形，因?yàn)橄到y(tǒng)做了緩存，后續(xù)的讀取操作可能直接發(fā)生在緩存區(qū)里（32KB DCache， 1KB AHB RX prefetch buffer）了。

#define AHB_ADDR_START (0x60002400) 

#if (defined(__ICCARM__))
#pragma optimize = none
__ramfunc 
#endif
void test_ahb_read(void)
{
    /* Disable L1 I-Cache*/
    SCB_DisableICache();

    /* Disable L1 D-Cache*/
    SCB_DisableDCache();

    /* Disable FlexSPI AHB read prefetch */
    FLEXSPI->AHBCR &= ~(FLEXSPI_AHBCR_PREFETCHEN_MASK | FLEXSPI_AHBCR_CACHABLEEN_MASK);
    
    while (1)
    {
        SDK_DelayAtLeastUs(10, SystemCoreClock);
        for (uint32_t i = 1; i <= 8; i++)
        {   
            SDK_DelayAtLeastUs(2, SystemCoreClock);
            memcpy((void *)0x20200000, (void *)AHB_ADDR_START, i);
        }
    } 
}

　　因?yàn)槲覀冇昧薽emcpy來做Flash數(shù)據(jù)拷貝，memcpy功能實(shí)際上是IAR軟件自帶庫 ABImemcpy.a 里面的 __aeabi_memcpy、__aeabi_memcpy4、__aeabi_memcpy8 等函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，因此我們還需要在工程鏈接文件里將 ABImemcpy.o 鏈接到RAM區(qū)；并且我們還用了SDK_DelayAtLeastUs()來分隔每次memcpy()波形結(jié)果，還需要將這個(gè)函數(shù)里調(diào)用的相關(guān)代碼放到RAM區(qū)（fsl_common.c里）。

initialize by copy { readwrite,
                     section .textrw,
                     // 確保 memcpy() 相關(guān)代碼全在RAM里
                     object ABImemcpy.o,
                     // 確保 SDK_DelayAtLeastUs() 相關(guān)代碼全在RAM里
                     object fsl_common.o,
                     object I64DivZer.o,
                     object I64DivMod.o
                     };
do not initialize  { section .noinit };

　　一切準(zhǔn)備就緒后具體測(cè)試就是設(shè)置不同的AHB_ADDR_START值（這里主要是考慮地址對(duì)齊）來觀測(cè)Flash信號(hào)的實(shí)際波形。此外為了便于分辨IO[1:0]上的數(shù)據(jù)，我們最好定義一塊特殊const數(shù)據(jù)區(qū)，根據(jù)Flash傳輸時(shí)序圖，其中數(shù)據(jù)Byte[4]和Byte[0]是在IO0線上傳輸、Byte[5]和Byte[1]是在IO1線上傳輸?shù)模@4bit共有16種不同值組合，我們將這16種不同值放在ahbRdBlock[16]數(shù)組中，并將其鏈接在 0x60002400 - 0x6000240f 地址空間里。

// 在工程源文件中
const uint8_t ahbRdBlock[16] @ ".ahbRdBuffer" = {0x00, 0x01, 0x02, 0x03,
                                                 0x10, 0x11, 0x12, 0x13,
                                                 0x20, 0x21, 0x22, 0x23,
                                                 0x30, 0x31, 0x32, 0x33};
// 在工程鏈接文件中
keep{ section .ahbRdBuffer };
place at address mem:0x60002400 { readonly section .ahbRdBuffer };

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　因?yàn)榧葲]有Cache，也沒有Prefetch，所以用戶代碼中memcpy語句（哪怕存在循環(huán)重復(fù)讀?。┡cFlash端實(shí)際信號(hào)時(shí)序波形圖幾乎是一一對(duì)應(yīng)的，唯一不確定的就是AHB master是如何拆分CS信號(hào)周期的。

3.1 AHB_ADDR_START = 0x60002400 即八字節(jié)對(duì)齊

　　我們先來看AHB_ADDR_START = 0x60002400時(shí)抓取一次完整for循環(huán)結(jié)果的波形（見下圖），可以看到在八字節(jié)對(duì)齊的地址下使用memcpy拷貝1/2/4/8字節(jié)，均僅產(chǎn)生一次CS信號(hào)有效周期（拉低），在這CS有效期間完成全部所需數(shù)據(jù)的讀取。但是拷貝3/5/6/7字節(jié)時(shí)，會(huì)拆分出多個(gè)CS有效周期。

　　當(dāng)使用memcpy拷貝3/5/6字節(jié)時(shí)，會(huì)拆分出2個(gè)CS有效周期（見下圖），這里第一個(gè)CS周期看起來似乎是多余的，為什么是這種結(jié)果，這需要深入研究AHB機(jī)制（痞子衡會(huì)另寫文章分析）；

當(dāng)拷貝3字節(jié)時(shí)，第一個(gè)CS周期實(shí)際讀取了前2個(gè)字節(jié) [0x60002400, 0x60002401]，第二個(gè)CS周期讀取了全部3字節(jié) [0x60002400, 0x60002402]。

當(dāng)拷貝5字節(jié)時(shí)，第一個(gè)CS周期實(shí)際讀取了前4個(gè)字節(jié) [0x60002400, 0x60002403]，第二個(gè)CS周期讀取了全部5字節(jié) [0x60002400, 0x60002404]。

當(dāng)拷貝6字節(jié)時(shí)，第一個(gè)CS周期實(shí)際讀取了前4個(gè)字節(jié) [0x60002400, 0x60002403]，第二個(gè)CS周期讀取了全部6字節(jié) [0x60002400, 0x60002405]。

　　當(dāng)使用memcpy拷貝7字節(jié)時(shí)，會(huì)拆分出3個(gè)CS有效周期（見下圖），這里前兩個(gè)CS周期看起來似乎都是多余的；

當(dāng)拷貝7字節(jié)時(shí)，第一個(gè)CS周期實(shí)際讀取了前4個(gè)字節(jié) [0x60002400, 0x60002403]，第二個(gè)CS周期實(shí)際讀取了前6個(gè)字節(jié) [0x60002400, 0x60002405]，第三個(gè)CS周期讀取了全部7字節(jié) [0x60002400, 0x60002406]。

3.2 AHB_ADDR_START = 0x60002404 即四字節(jié)對(duì)齊

　　AHB_ADDR_START = 0x60002404時(shí)抓取一次完整for循環(huán)結(jié)果的波形（見下圖），可以看到在四字節(jié)對(duì)齊的地址下使用memcpy拷貝1/2/4字節(jié)，均僅產(chǎn)生一次CS信號(hào)有效周期（拉低），在這CS有效期間完成全部所需數(shù)據(jù)的讀取。

　　但是拷貝3/5/6/7/8字節(jié)時(shí)，會(huì)拆分出多個(gè)CS有效周期。不過其中拷貝5/6/8字節(jié)，是合理的拆分，并沒有冗余讀取。

3.3 AHB_ADDR_START = 0x60002401 即奇地址

　　AHB_ADDR_START = 0x60002401時(shí)抓取一次完整for循環(huán)結(jié)果的波形（見下圖），這種情況下CS拆分特別嚴(yán)重，幾乎都存在冗余讀取。

3.4 AHB_ADDR_START = 0x60002402 即偶地址

　　AHB_ADDR_START = 0x60002402時(shí)抓取一次完整for循環(huán)結(jié)果的波形（見下圖），這種情況下CS拆分特別嚴(yán)重，幾乎都存在冗余讀取。

3.5 AHB_ADDR_START = 0x60002403

　　AHB_ADDR_START = 0x60002403時(shí)抓取一次完整for循環(huán)結(jié)果的波形（見下圖），這種情況下CS拆分特別嚴(yán)重，幾乎都存在冗余讀取。

四、追加實(shí)驗(yàn)

　　上一節(jié)的實(shí)驗(yàn)主要側(cè)重于memcpy拷貝源Flash首地址對(duì)齊方式的不同，而拷貝長(zhǎng)度最大僅設(shè)到8byte，那么如果我們一次拷貝超過8byte會(huì)是什么情形呢？痞子衡做了如下實(shí)驗(yàn)，這次從0x60002400開始一次拷貝1KB，從結(jié)果波形上來看，1KB的數(shù)據(jù)拷貝被拆分成了128個(gè)CS有效周期，每個(gè)CS有效期間拷貝8byte。

#if (defined(__ICCARM__))
#pragma optimize = none
__ramfunc 
#endif
void test_ahb_read(void)
{
    /* Disable L1 I-Cache*/
    SCB_DisableICache();

    /* Disable L1 D-Cache*/
    SCB_DisableDCache();

    /* Disable FlexSPI AHB read prefetch */
    FLEXSPI->AHBCR &= ~(FLEXSPI_AHBCR_PREFETCHEN_MASK | FLEXSPI_AHBCR_CACHABLEEN_MASK);
    
    while (1)
    {
        SDK_DelayAtLeastUs(10, SystemCoreClock);
        memcpy((void *)0x20200000, (void *)0x60002400, 0x400);
    } 
}