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

　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家分享的是恩智浦i.MXRT1170上Cortex-M7內核的FlexRAM ECC功能。

　　ECC是“Error Correcting Code”的簡寫，ECC能夠實現錯誤檢查和糾正，含有ECC功能的記憶體一般稱為ECC記憶體，使用了ECC記憶體的系統在穩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。關於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，我們看下它的CM7內核系統框圖，FlexRAM本質上是為CM7內核設計的，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表裡從0x20360000開始的空間）其實CM4也能正常訪問。
　　在框圖中你還會發現，FlexRAM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，關於這個細節在下一節里展開聊。

1.2 關於ECC設計細節

　　關於ECC，大家最早接觸的應該是ONFI Raw NAND上的應用，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 《並行NAND介面標準(ONFI)及SLC Raw NAND簡介》， 裡面的 2.6 Raw NAND壞塊與ECC 簡單介紹了ECC在Raw NAND上的應用。
　　在Raw NAND上，通常是每寫入512bytes數據計算出一個ECC校驗值（4bytes），讀取時也是讀完全部512bytes數據後進行ECC校驗，ECC校驗能力一般用 (n+1) bit檢錯，n bit糾錯 來表達，即這512bytes數據里如果發生n+1 bit及以下的錯誤時能夠檢查出來，如果發生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實現機制不適用於RAM。那麼FlexRAM到底採用的是什麼樣的ECC設計呢？

1.2.1 ECC檢驗能力

　　好了，不賣關子了，公佈答案。FlexRAM中每4ytes（針對DTCM）或8bytes（針對ITCM/OCRAM）數據就會計算出一個ECC校驗值（7/8bits），ECC校驗值都被放在了ECC RAM里。因為校驗數據塊分割得很小，所以此時不需要提供多bit糾錯能力，FlexRAM採用的是最經典的Single-bit Error Correction and Dual-bit Error Detection（SEC-DED，漢明校驗碼）。關於SEC-DED，你可以去Linux內核里看其在NAND上應用的源碼實現 nand_ecc.c，寫得非常經典。

1.2.2 ECC RAM分配

　　128KB ECC RAM並不是只能用來存儲ECC校驗值的，其也可以當做普通OCRAM來使用，ECC RAM具體功能是根據當前FlexRAM分配以及ECC是否開啟而定的。eFuse里預設的512KB FlexRAM配置是256KB ITCM, 256KB DTCM, 沒有OCRAM。
　　在預設FlexRAM配置情況下，如果TCM ECC沒有開啟，那麼128KB ECC RAM全部都是普通OCRAM，其地址空間如下表所示：

　　在預設FlexRAM配置情況下，如果TCM ECC已經開啟，那麼128KB ECC RAM全部都用來存儲ECC校驗值，這個區域僅能由FlexRAM模塊內部訪問，用戶無法訪問這128KB區域（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功能分配就稍微複雜一些了。最簡單的情況是TCM和OCRAM ECC都沒有開啟，那麼這128KB ECC RAM還是普通OCRAM，map地址是緊跟在FlexRAM OCRAM後面的，如下表所示：

　　如果TCM和OCRAM ECC都開啟了，那麼這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中本用於存儲OCRAM ECC的區域都將被劃分為普通OCRAM，另一部分用於存儲TCM ECC的區域（無論是否真的要存儲ECC校驗值）用戶則無法訪問。區域劃分比例與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，那麼128KB ECC RAM（也是16個bank，每個bank 8KB）則划出了64KB作為普通OCRAM，如下表所示：

1.2.3 ECC錯誤觸發處理

　　ECC錯誤分兩種，分別是1-bit錯誤和2-bit錯誤。從軟體層面來看，1-bit錯誤可以不用管，FlexRAM模塊會自動糾錯。我們主要處理2-bit錯誤，由於2-bit錯誤僅能檢錯，無法糾錯，所以發生了這個錯誤，就意味著讀取的數據不可靠了，需要丟棄並重新寫一次（丟棄之前可以再retry read一次看是否還是報錯）。
　　關於ECC錯誤處理，可根據如下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錯誤發生時，系統會觸發FLEXRAM_IRQn（中斷號是50），在中斷處理程式里找到相應的ECC_MULTI_ERROR_ADDR，對這個地址重新寫一次初始化數據（按ECC校驗塊長度一次性寫入），最後清除INT_STATUS寄存器里的相應狀態位。
　　需要註意的是，上述處理流程僅對FlexRAM中存放的是普通業務數據且發生ECC錯誤時有效，如果ECC錯誤發生在關鍵代碼段或變數段中，這個處理是不適用的，因為這種ECC錯誤可能會造成程式崩潰。

二、開啟FlexRAM ECC的步驟

　　FlexRAM ECC需要按照標準步驟去開啟，需要特別註意的是開啟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，那麼開啟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應用程式，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開啟操作然後再載入應用程式執行。痞子衡給瞭如下示例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/loader/loader.c

2.1 使能TCM的RMW（可選）

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

　　操作函數代碼如下：

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

　　現在需要開啟FlexRAM ECC，在i.MXRT1170參考手冊里的FlexRAM章節可以找到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。

　　操作函數代碼如下：

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開啟了之後，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校驗數據塊大小對齊方式從頭到尾寫入一遍，寫入內容不限，正常用全0）。
　　操作函數代碼如下：

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

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 載入應用程式執行

　　當FlexRAM初始ECC校驗值已經被填充之後，此時便可以正常隨機讀寫FlexRAM了。如果此時載入的是一個在ITCM里執行並且data段在DTCM里的應用程式，可以參考痞子衡前面給出的示例loader工程。
　　這是loader工程完整主函數代碼，其中memcpy那一句代碼里的app_code是應用程式binary數組（用Python腳本將應用程式工程生成的.bin文件轉換成C語言數組放到loader工程源文件里）。

#define APP_START 0U

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, app_code, APP_LEN);
    
    uint32_t appStack = *(uint32_t *)(APP_START);
    uint32_t 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(appStack);
    __set_PSP(appStack);

    // Jump to app entry point, does not return.
    void (*entry)(void) = (void (*)(void))appEntry;
    entry();
}

三、ECC對記憶體訪問性能的影響

　　FlexRAM開了ECC後，訪問性能會有一定降低，畢竟數據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。下麵是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，所以從應用程式角度開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。

　　為了簡化測試，痞子衡就用經典的benchmark程式（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/loader
Dhrystone工程：https://github.com/JayHeng/cortex-m-apps/tree/master/apps/dhrystone_imxrt1176/loader

　　需要特別提醒的是，我們知道i.MXRT1170 CM7內核最高可以配置到1GHz，但是開了TCM ECC後，為了保證訪問可靠性，此時CM7內核最好是工作在800MHz，下麵的benchmark結果也是在800MHz主頻下得到的：

　　從benchmark結果來看，ECC是否開啟對性能影響特別小，可以忽略，當然benchmark測試並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函數來測試性能影響。

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

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