痞子衡嵌入式：恩智浦i.MX RT1xxx系列MCU啟動那些事（8.1）- SEMC NAND啟動時間(RT1170)

　　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恩智浦i.MX RT1170 Raw NAND啟動時間。

　　關於i.MXRT1170這顆劃時代的MCU，痞子衡去年10月在其剛發佈的時候，專門寫過一篇文章介紹過其特點（詳見 《終於可以放開聊一聊i.MXRT1170這顆劃時代MCU了》），眼看著其上市日期越來越近了，恩智浦軟硬體技術支持團隊也正在緊鑼密鼓地開發SDK以及參考設計。因為官方首次在i.MXRT1170 EVK板上（Rev.B）放了一片旺巨集的Raw NAND晶元，而i.MXRT當然是支持從Raw NAND啟動的，因此痞子衡打算為大家測一測Raw NAND的啟動時間（這裡指在ITCM執行，暫不考慮在SDRAM執行）。

一、準備工作

1.1 知識儲備

　　在開始測試之前，你需要認真讀一下痞子衡的舊文 《恩智浦i.MX RT1xxx系列MCU啟動那些事（8）- 從Raw NAND啟動》，對i.MXRT從Raw NAND啟動的原理有一個充分認識。
　　Raw NAND啟動不同於你最熟悉的Serial NOR啟動，由於NAND訪問的特殊性（僅能按Page讀，且允許壞塊），因此其僅支持Non-XIP Application（即需要把Application image從NAND中全部拷貝出來，放到RAM中執行），無法原地執行。這個拷貝工作就由晶元內部的BootROM來完成，為了讓BootROM順利完成拷貝工作，我們需要在NAND中放一些特殊數據（即下麵的FCB, DBBT, IVT）。
　　FCB永遠放在NAND的第一個block里的固定位置，BootROM首先從NAND中讀取FCB（此時是利用eFuse 0x940和0xC80里的簡化時序配置選項），FCB中含有三類信息：用戶設置的完整時序配置數據(可選的)、DBBT位置，IVT位置。BootROM首先會檢查是否存在完整時序配置數據，如果有，則使用這個數據重新配置NAND訪問時序。然後BootROM會繼續獲取DBBT數據，獲知當前NAND的壞塊信息，接下來便是根據IVT信息獲取Application數據完成拷貝（拷貝過程中需要避開壞塊）。

1.2 時間界定

　　說到啟動時間的界定，其實無非是找到時間起點以及時間終點。
　　時間起點很好辦，根據i.MXRT1170晶元POR信號變化即可（下圖中的RST_TGTMCU_B的上升沿），也就是晶元開始上電為起點。

　　時間終點稍微有點難辦，如果監測Raw NAND信號（比如CE#最後一個上沿）有點難抓，也不夠精準，畢竟BootROM拷貝完所有Application image數據後是否還會做一些校驗工作才會跳轉不得而知，所以還是以執行到Application為準。到了Application的執行就簡單了，在Application裡加個GPIO翻轉（比如點燈）即可，我們只需抓取這個GPIO的信號變化（抓下圖中R1855的上升沿）。

1.3 製作應用程式

　　現在我們開始製作測試用的Non-XIP Application，以\SDK_xxx_MIMXRT1170-EVK\boards\evkmimxrt1170\demo_apps\led_blinky\cm7\下的工程為基礎，但需要做一些修改。
　　痞子衡以IAR工程示例，首先需要選中debug build（release也行），這個build即是在ITCM中執行的Non-XIP版本，而且其鏈接文件里的m_interrupts_start也需要從0x00000000修改為0x00002000（這裡如果不明白的話，繼續回去看痞子衡寫的Raw NAND啟動文章）。

　　這個工程里的led_blinky.c里已經有GPIO翻轉代碼了，但是位置在main()函數里，為了得到儘量準確的啟動時間，我們應該把GPIO翻轉的代碼提前，下麵是程式Reset_Handler代碼，原則上我們應該要在這裡加彙編，但是為了簡單起見，我們也可以在SystemInit()函數裡加C代碼（痞子衡認為在data/bss段初始化之前就可以了）。

        PUBWEAK Reset_Handler
        SECTION .text:CODE:REORDER:NOROOT(2)
Reset_Handler
        CPSID   I               ; Mask interrupts
        LDR     R0, =0xE000ED08
        LDR     R1, =__vector_table
        STR     R1, [R0]
        LDR     R2, [R1]
        MSR     MSP, R2
        LDR     R0, =SystemInit
        BLX     R0
        CPSIE   I               ; Unmask interrupts
        LDR     R0, =__iar_program_start
        BX      R0

　　編譯後可以得到一個17732 bytes的Application（可以生成.srec格式，方便後面下載），但是我們知道Raw NAND啟動時間跟Application長度是成正比的（主要耗時就是在拷貝上），所以我們還需要再製作一個稍微大一些的Application，可以直接在代碼裡加上如下const數組定義，並且在IAR的Option/Linker/Input里的Keep symbols裡加上s_dummyBuffer，防止這個數組被優化掉。

const uint8_t s_dummyBuffer[1024*230] = {0};

1.4 下載應用程式

　　應用程式的下載需藉助痞子衡開發的NXP-MCUBootUtility工具（v2.2版本及以上），將i.MXRT啟動模式設到SDP模式（EVK上SW1撥碼開關設為4'b0001），然後給板子上電。軟體的使用不予贅述，NAND具體配置如下即可，後面的測試我們只需要更改ONFI Timing Mode這一個參數。

Note: 這個工具會自動生成FCB（包含完整NAND時序配置）, DBBT， IVT並將其和Application一起下載進Raw NAND中

　　程式下載完成後，將i.MXRT啟動模式設到Internal Boot模式（EVK上SW1撥碼開關設為4'b0010），並且將啟動設備設為Raw NAND（EVK上SW2撥碼開關設為10'b0000010000），斷電重啟你應該就可以看到LED燈會亮，這代表Raw NAND啟動成功了。

1.5 示波器抓取信號

　　一切準備就緒，可以用示波器抓Raw NAND啟動時間了。除了通道一監測POR信號，通道三監測LED GPIO信號，為了更直觀地看啟動過程，痞子衡特地加了通道二來監測NAND_CE#信號，這樣可以看到Application拷貝過程。

二、開始測試

2.1 影響因素

2.1.1 App長度

　　App的長度是影響啟動時間的第一因素。痞子衡在前面 1.3節 製作應用程式里，已經製作了兩個不同長度的App用於測試。

2.1.2 NAND訪問模式

　　NAND訪問模式是影響啟動時間的第二因素。SEMC支持的NAND訪問模式一共兩種，分別是IPG CMD模式和AXI CMD模式，前者是應用程式手動發命令去一次讀取4byte數據到SEMC數據寄存器，然後再從寄存器中取數據；後者是應用程式訪問指定的AXI空間（假定也是取4byte），由SEMC自動發命令讀取4byte並放到對應AXI映射空間里。
　　NXP-MCUBootUtility工具里所依賴的flashloader固定使用IPG CMD模式，因此想切換到AXI CMD模式，需要從SDK/middleware/mcu-boot中獲取flashloader源碼，修改源碼（在semc_nand_mem_config()函數中做如下修改）後重新編譯使用。

　　使用修改後的flashloader程式下載完成Application之後，需要在回讀的image數據中偏移0x109的地址查看數據（0x01代表AXI，0x00代表IPG）。

　　痞子衡繼續使用示波器抓取NAND_RE#信號如下：
　　這是IPG CMD模式下的時序（ONFI timing mode5）：

　　這是AXI CMD模式下的時序（ONFI timing mode5）：

　　從上述時序上看，AXI CMD模式讀取數據明顯比IPG CMD模式更高效，每4byte訪問之後的間隔時間大大縮短。

2.1.3 ONFI Timing Mode

　　ONFI Timing Mode是影響啟動時間的第三因素。NXP-MCUBootUtility工具中支持更改ONFI Timing Mode（主要是將設置寫進FCB），痞子衡查了下EVK板上這顆NAND晶元，能支持mode0 - mode5一共6種模式，我們就先來看看最慢的mode0和最快的mode5是否設置生效。在程式下載完成之後，需要在回讀的image數據中偏移0x153的地址查看數據（0x01代表mode0，0x06代表mode5）。

　　Raw NAND訪問是通過SEMC模塊實現的，SEMC一次會從NAND讀取4byte放到內部32bit數據寄存器中，痞子衡使用示波器抓取NAND_RE#信號如下：
　　這是ONFI Timing Mode0下的時序：

　　這是ONFI Timing Mode5下的時序：

　　從上述時序上看，ONFI Timing Mode設置是生效的，mode5耗時確實比mode0短一些，與ONFI 1.0手冊里規定的數值基本是吻合的。

2.2 測試結果

　　前面分析完了影響因素，現在到了公佈結果的時候了，痞子衡基於前面的影響因數組合一共做了8個測試，結果如下表所示。總之一句話，想要最快的啟動時間，設為AXI訪問模式以及ONFI Timing Mode5即可，另外如果對啟動時間敏感（比如Auto應用），不妨做兩級啟動（Boot+App），Boot儘量小，App可以很大，Boot起來之後去做一些啟動任務（響應CAN，點亮LCD屏），然後由Boot再去慢慢載入App。

　　測試結果波形圖較多，痞子衡且放一張（AXI, mode0, 17732bytes）給大家看看吧。

　　至此，恩智浦i.MX RT1170 Raw NAND啟動時間痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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