無緩存下對Flash的AHB讀訪問竟然是這樣

痞子衡 2024-01-06 09:06 132 閱讀 1 贊 2 收藏 0 評論

大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是實抓Flash信號波形來看i.MXRT的FlexSPI外設下AHB讀訪問情形。

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

我們知道在實際項目中，XiP應用程序常常是在L1 Cache和Prefetch加持下運行的，代碼執行效率會得到大大提升，但無論是怎樣的緩存策略，極限情況下（比如大數據塊搬移，長跳轉指令）最終還是拼得FlexSPI最基礎的讀訪問支持。今天痞子衡就從抓Flash信號波形角度帶大家真切感受下這最基礎的AHB讀訪問情形（為更清晰地分析結果，本次主要涉及數據總線AHB訪問，暫不涉及指令總線AHB訪問）：

一、實驗準備

痞子衡用i.MXRT1050-EVKB來做這個AHB讀訪問實驗，這塊板子上的Flash被痞子衡更換過，目前的型號是華邦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）來簡單修改一下，把啟動頭FDCB修改如下，設置Flash工作于30MHz Fast Read Quad I/O SDR模式，調成30MHz低速是為了方便后續用示波器抓Flash信號去分析。

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傳輸時序圖，Dummy Cycle連同MODE8_SDR序列一共6個SCK周期，此外還有個特別注意點，MODE8_SDR序列參數值需要被設成0xFx，我們上面修改的FDCB啟動頭是符合要求的。

現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]足夠我們分析時序了），然后將 led_blinky 工程下載進Flash運行便可以觀測結果了。

二、實驗代碼

因為我們下載的是一個XIP工程，代碼的執行本身也會觸發Flash中的指令讀取，這會影響我們在示波器上觀測AHB讀數據測試結果，所以我們可以在main()函數里把SysTick初始化去掉（不要中斷），并且調用如下ramfunc型函數 test_ahb_read() 來做測試（痞子衡直接利用了IAR軟件的特性），這樣代碼跑起來后，Flash上發生的讀訪問均來自我們想要測試的AHB讀數據操作（這也意味著ICache是否開啟對本系列測試結果沒有影響，但不管怎么，我們統一關掉）：

Note: DCache和Prefetch必須要全部關閉，否則哪怕測試代碼里對同一個地方循環讀取，但在Flash引腳上根本看不到周期性信號波形，因為系統做了緩存，后續的讀取操作可能直接發生在緩存區里（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);
        }
    } 
}

因為我們用了memcpy來做Flash數據拷貝，memcpy功能實際上是IAR軟件自帶庫 ABImemcpy.a 里面的 __aeabi_memcpy、__aeabi_memcpy4、__aeabi_memcpy8 等函數實現的，因此我們還需要在工程鏈接文件里將 ABImemcpy.o 鏈接到RAM區；并且我們還用了SDK_DelayAtLeastUs()來分隔每次memcpy()波形結果，還需要將這個函數里調用的相關代碼放到RAM區（fsl_common.c里）。

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

一切準備就緒后具體測試就是設置不同的AHB_ADDR_START值（這里主要是考慮地址對齊）來觀測Flash信號的實際波形。此外為了便于分辨IO[1:0]上的數據，我們最好定義一塊特殊const數據區，根據Flash傳輸時序圖，其中數據Byte[4]和Byte[0]是在IO0線上傳輸、Byte[5]和Byte[1]是在IO1線上傳輸的，這4bit共有16種不同值組合，我們將這16種不同值放在ahbRdBlock[16]數組中，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、實驗結果

3.1 AHB_ADDR_START = 0x6002400 即八字節對齊

我們先來看AHB_ADDR_START = 0x6002400時抓取一次完整for循環結果的波形（見下圖），可以看到在八字節對齊的地址下使用memcpy拷貝1/2/4/8字節，均僅產生一次CS信號有效周期（拉低），在這CS有效期間完成全部所需數據的讀取。但是拷貝3/5/6/7字節時，會拆分出多個CS有效周期。

當使用memcpy拷貝3/5/6字節時，會拆分出2個CS有效周期（見下圖），這里第一個CS周期看起來似乎是多余的，為什么是這種結果，這需要深入研究AHB機制（痞子衡會另寫文章分析）；

當拷貝3字節時，第一個CS周期實際讀取了前2個字節 [0x60002400, 0x60002401]，第二個CS周期讀取了全部3字節 [0x60002400, 0x60002402]。

當拷貝5字節時，第一個CS周期實際讀取了前4個字節 [0x60002400, 0x60002403]，第二個CS周期讀取了全部5字節 [0x60002400, 0x60002404]。

當拷貝6字節時，第一個CS周期實際讀取了前4個字節 [0x60002400, 0x60002403]，第二個CS周期讀取了全部6字節 [0x60002400, 0x60002405]。