芯耀
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今天痞子衡給大家介紹的是恩智浦i.MX RT1015/1020/1050三款MCU的FlexSPI NOR啟動(dòng)的連接方式。
由于i.MXRT內(nèi)部沒(méi)有非易失性存儲(chǔ)器，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)為i.MXRT搭配一塊存放應(yīng)用程序代碼的存儲(chǔ)器是頭等大事。i.MXRT支持啟動(dòng)的外部存儲(chǔ)器類(lèi)型眾多，其中通過(guò)FlexSPI接口連接串行NOR Flash是首選。
就i.MXRT芯片引腳本身來(lái)說(shuō)，其FlexSPI模塊支持的Pinmux選擇較多，這在芯片參考手冊(cè)Chip IO一章可以找到具體信息。但是并不是所有FlexSPI Pinmux組合都能被用來(lái)連接串行NOR Flash去啟動(dòng)。
i.MXRT1050/1020/1015是i.MXRT系列MCU家族比較早亮相的型號(hào)，也是客戶當(dāng)前使用較多的i.MXRT芯片。它們?nèi)值軆?nèi)部均只有一個(gè)雙通道8bit的FlexSPI模塊，在FlexSPI NOR啟動(dòng)連接方式支持上是相似的。今天痞子衡就來(lái)跟大家好好聊一聊到底哪些FlexSPI NOR連接方式是可以用作啟動(dòng)的。
1.涉及FlexSPI引腳
提及啟動(dòng)，就不得不提i.MXRT芯片內(nèi)部BootROM，BootROM是固化在芯片內(nèi)部ROM空間的一段代碼，芯片上電永遠(yuǎn)是BootROM先運(yùn)行，由BootROM從外部存儲(chǔ)器去加載應(yīng)用程序執(zhí)行。因此FlexSPI NOR連接方式其實(shí)是由BootROM決定的，更直白點(diǎn)說(shuō)，其實(shí)FlexSPI NOR連接方式是寫(xiě)死在BootROM代碼里。
我們可以在芯片參考手冊(cè)System Boot這一章節(jié)找到BootROM指定的FlexSPI NOR引腳，痞子衡整理如下：
下表適用于i.MXRT105x：
下表適用于i.MXRT102x和i.MXRT1015：
上面的表格基本上已經(jīng)給我們指明了方向，目前我們知道了哪些Pin可以用作FlexSPI NOR啟動(dòng)連接，但是似乎還是有一些不清楚的地方：
疑問(wèn)1：1st Option里一共有4根片選信號(hào)（SSx）和2根DQS信號(hào)，而Flash只需要一個(gè)片選和一個(gè)DQS，是不是所有片選+DQS組合都可以？
疑問(wèn)2：1st Option里一共8根數(shù)據(jù)線，除了連接八線Octal/Hyper Flash之外，是否可以單連四線QSPI Flash？PortA和PortB是不是都可以連QSPI Flash？
疑問(wèn)3：是否可以從1st和2nd Option里分別挑選信號(hào)線和數(shù)據(jù)線來(lái)連接Flash？比如1st Option里的PortA_DATA[1:0]和2nd Option里的PORTA_DATA[3:2]組成四線。
疑問(wèn)4：那根FlexSPI Reset信號(hào)對(duì)于1st和2nd Option是不是都適用？
疑問(wèn)5：是否可以掛兩片QSPI Flash啟動(dòng)？具體怎么掛？?jī)善現(xiàn)lash能否實(shí)現(xiàn)在一片F(xiàn)lash中執(zhí)行代碼去擦寫(xiě)另一片F(xiàn)lash？
疑問(wèn)6：2nd Option里只有PortA和一根片選，但RT1050 Pinmux表里其也支持PortB和其他三根片選，那些信號(hào)線后續(xù)是否可以利用？
在下面文章的內(nèi)容里，痞子衡會(huì)逐一為大家解析這些疑問(wèn)：
2.單Flash連接方式（3種）
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使用一片F(xiàn)lash是最常用的情況，這片F(xiàn)lash負(fù)責(zé)存放應(yīng)用程序代碼（即所謂的Code Flash），i.MXRT既可以在Flash中原地執(zhí)行，也可以將應(yīng)用程序拷貝到內(nèi)部RAM中執(zhí)行。
相信大家做板級(jí)設(shè)計(jì)一定會(huì)參考官方EVK，在RT1050-EVKB中，官方給出了如下兩種單Flash的連接方式，這也是最推薦的兩種方式：
第一種Flash連接方式就是利用FlexSPI 1st Option里的6根PORTA信號(hào)線連接四線QSPI Flash，此處需要注意的是片選信號(hào)僅能選PORTA_SS0，你可能會(huì)疑問(wèn)PORTA_SS1明明也在BootROM支持列表里，為何不能用？關(guān)于這一點(diǎn)痞子衡會(huì)在后面雙Flash連接里為大家解釋。
第二種Flash連接方式就是利用FlexSPI 1st Option里的7根PORTA信號(hào)線和5根PORTB信號(hào)線連接八線Octal/Hyper Flash，此處仍需注意的是片選和DQS信號(hào)僅能選PORTA_SS0、PORTA_DQS。此種Flash接法還利用了FlexSPI Reset信號(hào)。
第三種Flash連接方式就是利用FlexSPI 2nd Option里的6根PORTA信號(hào)線連接四線QSPI Flash，具體接法跟第一種方式很像，但是此處沒(méi)有關(guān)于片選的疑慮，因?yàn)?nd Option只有一個(gè)片選。
介紹完三種單Flash連接方案，現(xiàn)在來(lái)解答一些前面列出的疑問(wèn)。
解答1：1st Option里一共4根片選信號(hào)（SSx）和2根DQS信號(hào)并不是隨意組合都可以，無(wú)論是四線還是八線單Flash連接方案，均只有PORTA_SS0、PORTA_DQS這一種組合可用。其他組合主要用在雙Flash連接方案中。
解答2：1st Option中僅PORTA可以單獨(dú)接四線QSPI Flash，不支持PORTB單獨(dú)接四線QSPI Flash。
解答3：不支持從1st和2nd Option里分別挑選信號(hào)線和數(shù)據(jù)線來(lái)連接Flash。不過(guò)就FlexSPI模塊本身而言，理論上是支持的，但這么用的話需要解決信號(hào)線等長(zhǎng)問(wèn)題，因?yàn)檫@兩個(gè)Option的走線長(zhǎng)度在芯片內(nèi)部不一樣?？傊煌扑]這么用。
解答4：FlexSPI Reset信號(hào)是與1st、2nd Option無(wú)關(guān)的，所以兩個(gè)Option下均可以用，不過(guò)Reset信號(hào)常用于八線Flash。
3.雙Flash連接方式（14種）
很多實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常常有既在Flash中存放用戶應(yīng)用程序，也在Flash中存放用戶數(shù)據(jù)的場(chǎng)景，當(dāng)然我們可以將一片F(xiàn)lash分成Code區(qū)和Data區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但更好的方案是選用兩片F(xiàn)lash（一片Code Flash、一片Data Flash）同時(shí)掛在FlexSPI上，這樣可以避免數(shù)據(jù)誤操作，而且最重要的是在擦除或者編程Data Flash的等待期間（這個(gè)時(shí)間可不短），CPU可以繼續(xù)從Code Flash取代碼執(zhí)行或響應(yīng)中斷。此處我們暫不討論支持RWW特性的Flash。
i.MXRT支持掛兩片F(xiàn)lash去啟動(dòng)，此處僅以兩片四線QSPI Flash為例。下圖給出了多片F(xiàn)lash的連接方式，理論上一個(gè)FlexSPI最多可以掛四片F(xiàn)lash，因?yàn)樽畲笥?個(gè)片選。但僅考慮接兩片F(xiàn)lash的話，1st Option以及2nd Option里一共8個(gè)片選，按排列組合來(lái)說(shuō)應(yīng)該有 C(8,2) = 28種組合方式，但要考慮如下異常：
異常1：1st A_SS0-2nd A_SS0、1st A_SS1-2nd A_SS1、1st B_SS0-2nd B_SS0、1st B_SS1-2nd B_SS1互聯(lián)這4種情況需排除
異常2：1st A_SS0-2nd A_SS1、1st A_SS1-2nd A_SS0、1st B_SS0-2nd B_SS1、1st B_SS1-2nd B_SS0連接這四種情況，DATA線有兩種選擇，所以要增加4種組合
考慮進(jìn)上述異常情況后，還是存在28種連接組合，那么這28種組合是不是都可行呢？當(dāng)然不是！要在這28種組合中剔除掉不包含1st A_SS0或者2nd A_SS0的組合。即下圖中標(biāo)淺綠色的Flash A0在雙Flash組合中是一定要存在的，因?yàn)锽ootROM上電永遠(yuǎn)是從Flash A0中獲取FDCB以及啟動(dòng)代碼頭（IVT, BootData），所以Flash A0就是Code Flash。
分析到了這里，我們就知道如下符合條件的14種包含F(xiàn)lash A0的組合方式，其中標(biāo)記Code的片選信號(hào)應(yīng)該連接存放應(yīng)用程序代碼的Code Flash，標(biāo)記Data的片選信號(hào)則連接存放用戶數(shù)據(jù)的Data Flash：
Note：有一個(gè)地方要注意，如果兩個(gè)Flash掛在同一類(lèi)型PORT上（都是PORTA或都是PORTB），即下面的第1、4、5、8、9、12種組合時(shí)，這兩片F(xiàn)lash最好是同一個(gè)型號(hào)，這樣電氣特性容易保持一致。
介紹完14種雙Flash連接方案，現(xiàn)在來(lái)解答一些前面列出的疑問(wèn)。
解答5：可以掛兩片QSPI Flash啟動(dòng)，一共有14種連接方式。兩片F(xiàn)lash的方案還是不可以實(shí)現(xiàn)在Code Flash里原地執(zhí)行代碼去擦寫(xiě)Data Flash這種用法，但可以實(shí)現(xiàn)RWW的核心意義，下一節(jié)會(huì)單獨(dú)展開(kāi)講這個(gè)。
解答6：不在BootROM指定的2nd Option PortB信號(hào)可以用于連接Data Flash，但是Data Flash的配置需要由Code Flash里的用戶應(yīng)用程序代碼來(lái)完成，BootROM無(wú)法直接配置Data Flash。
4.關(guān)于RWW的注意事項(xiàng)
現(xiàn)在市面上大部分Flash（尤其是普通四線QSPI）是不支持RWW（Read-While-Write）特性的，就是在單片F(xiàn)lash上無(wú)法實(shí)現(xiàn)同時(shí)讀寫(xiě)。但如果我們?cè)趇.MXRT1015/1020/1050系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用一片支持RWW特性的Flash或者直接使用兩片F(xiàn)lash，是否可以實(shí)現(xiàn)在Code Flash（或RWW Flash中的Code分區(qū)）中原地執(zhí)行代碼去擦寫(xiě)Data Flash（或RWW Flash中的Data分區(qū)）這種需求。答案其實(shí)還是不可以，這是由FlexSPI模塊本身特性限制的，這個(gè)特性就是同一個(gè)FlexSPI模塊下的AHB command和IP command是互斥的。
4.1 FlexSPI異類(lèi)命令互斥特性
下圖是FlexSPI模塊框圖，可以這么簡(jiǎn)單理解，CPU去Code Flash取程序代碼指令走的是64bit AHB Bus（即AHB command），Code Flash里的程序代碼里調(diào)用FlexSPI驅(qū)動(dòng)去擦除或編程Data Flash走的是32bit IPS Bus（即IP command），這兩種不同類(lèi)型的command會(huì)經(jīng)過(guò)ARB_CTL模塊去仲裁，同一時(shí)間只有一種command勝出成為ARB command去實(shí)際操作Flash。
那FlexSPI模塊這個(gè)限制到底怎么破？有以下三種方式可以來(lái)幫忙：
方法1：在MPU里設(shè)置Code Flash對(duì)應(yīng)的映射地址區(qū)域，使能Cache，并且保證應(yīng)用程序代碼里調(diào)用FlexSPI驅(qū)動(dòng)去擦寫(xiě)Data Flash的關(guān)鍵部分（觸發(fā)IP CMD執(zhí)行）始終緩存在Cache里。
方法2：將應(yīng)用程序代碼里調(diào)用FlexSPI驅(qū)動(dòng)去擦寫(xiě)Data Flash的關(guān)鍵部分搬運(yùn)到RAM空間去運(yùn)行，可以直接借助IDE特性去完成（比如IAR，可以用__ramfunc去修飾關(guān)鍵函數(shù)）。
方法3：應(yīng)用程序代碼里的FlexSPI驅(qū)動(dòng)直接使用BootROM API（代碼是在ROM空間運(yùn)行的）。
這三種方法里首推方法3，既能實(shí)現(xiàn)需求，又能省Code Flash空間（FlexSPI驅(qū)動(dòng)代碼說(shuō)小不小）。方法1其實(shí)是不推薦的，畢竟Cache是種玄學(xué)，豈是你想控制就控制的。
4.2 RWW的核心意義
最后再說(shuō)一下，掛兩片F(xiàn)lash（或一片RWW Flash）到底相比掛一片非RWW Flash有什么好處？這就涉及到RWW的核心意義了，其實(shí)痞子衡前面已經(jīng)講過(guò)了，雖然不能實(shí)現(xiàn)在Code Flash中原地執(zhí)行擦寫(xiě)操作相關(guān)代碼，但是在Data Flash擦寫(xiě)等待期間，CPU可以繼續(xù)從Code Flash取代碼執(zhí)行，這意味著此時(shí)不需要刻意關(guān)閉系統(tǒng)全局中斷，因此不影響系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。
至此，恩智浦i.MX RT1015/1020/1050三款MCU的FlexSPI NOR啟動(dòng)的連接方式痞子衡便介紹完畢了~~~
作者：痞子衡
