痞子衡嵌入式：恩智浦i.MX RT1xxx系列MCU啟動那些事（11.0）- FlexSPI NOR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 FlexSPI NOR啟動時間。

　　痞子衡剛剛拿到i.MXRT1170 B0版本的晶元，迫不及待地在上面跑了一些A0版本上早已驗證過的demo，功能一切正常，沒有什麼額外遷移工作。因為目前只有B0版本晶元，沒有配套EVK，所以痞子衡是在RT1170內部Validation板上做測試的（RT主晶元以及Flash晶元全部放在Socket里的，非常方便更換），正好痞子衡最近整理工位，找到了非常多來自不同廠家的串列Flash樣片，何不趁此時順便測一下Serial NOR啟動時間，畢竟Serial NOR是i.MXRT啟動首選設備，啟動時間肯定是大家比較感興趣的。

　　關於i.MXRT1170啟動時間，痞子衡之前在A0版本上測過 《SEMC NAND啟動時間》，有了之前的測試基礎，本篇文章就是照葫蘆畫瓢。不過由於Serial NOR的特殊性，本文會同時測XIP和Non-XIP時間，以及兩種典型的Flash工作模式下（四線SDR，八線DDR）的時間，工作量要稍微大一些，讓我們開始吧。

一、準備工作

1.1 知識儲備

　　Serial NOR可以說是大家最熟悉的啟動設備了，雖然這個設備可以支持兩類App（XIP和Non-XIP）去啟動，但大家用得最多的無疑是XIP App，因為XIP下App代碼長度可以和Flash容量一樣大，這對於複雜功能的應用很重要，但是編寫XIP App代碼也有一些需要註意的地方，比如在配置系統時鐘（不能影響FlexSPI模塊）或者擦寫Flash時（不支持RWW的話需要拷貝到RAM里執行）有一些限制。

　　至於Non-XIP，相比XIP會多一個App拷貝過程，啟動時間難免會變長。拷貝目標設備選擇種類很多，可以是內部RAM（包含TCM和OCRAM），也可以是外部RAM（SDRAM或者HyperRAM）。如果是為了提高代碼執行效率，通常會搬移到內部TCM里執行。當然也有搬移到外部SDRAM執行的，不過這種情況需要額外利用DCD功能來完成SEMC模塊的初始化之後才能做搬移工作。

1.2 時間界定

　　關於時間終點，參考《SEMC NAND啟動時間》 里的1.2節，方法保持一致。而關於時間起點，本次的測試選點做了一些優化，測NAND啟動時為了圖方便選在了最靠近POR引腳的電壓轉換器NC7SP125P5X的輸入腳（Pin1）所在的Header上，但是我們知道任何一個被動電源器件都有轉換時間，為了儘可能精確測量啟動時間，我們應該消除這種誤差，因此本次選點放在了NC7SP125P5X的輸出腳（Pin4），這個腳與主晶元POR引腳是直連的。

　　為了讓大家對電源器件轉換時間有個深刻感受，痞子衡這次還特地量了一下Validation板上原始電源輸入（5V Jack）到POR引腳上電的時間，這個時間足有210ms，根據電源電路設計以及器件選型的不同，這個時間是不同的，所以應該從啟動時間里拋除出來。

1.3 製作應用程式

　　關於應用程式製作，依舊是參考《SEMC NAND啟動時間》 里的1.3節，只有一個微小改進，就是把翻轉GPIO的代碼放在SystemInit()函數最前面，儘可能地靠近Reset_Handler。

void SystemInit (void) {
    {
        CLOCK_EnableClock(kCLOCK_Iomuxc);
        gpio_pin_config_t led_config = {kGPIO_DigitalOutput, 0, kGPIO_NoIntmode};
        IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO_AD_03_GPIO9_IO02, 0U);
        GPIO_PinInit(GPIO9, 2, &led_config);
        GPIO_PinWrite(GPIO9, 2, 1u);
    }

	// 關開門狗和SysTick

    while (1);

    // ...
}

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（v2.3版本及以上），本次痞子衡一共測試了兩款Flash，針對不同的Flash，在下載時選擇的模型不一樣：

　　下麵模型適用華邦W25Q256系列，配置成了四線、SDR、133MHz工作模式去啟動：

　　下麵模型適用旺巨集MX25UM51345系列，配置成了八線、DDR、166MHz工作模式去啟動：

1.5 示波器抓取信號

　　一切準備就緒，可以用示波器抓Serial NOR啟動時間了。通道一監測原始5V電源輸入信號，通道二監測晶元POR信號，通道三來監測Flash片選信號（FSPI1A_SS0_B），通道四監測LED GPIO信號。

二、開始測試

2.1 測試結果

　　在公佈結果之前，痞子衡先帶大家分析一下示波器抓取的啟動時間波形，方便大家理解後續表格裡的各項組成。

　　先來看大家相對陌生的Non-XIP啟動的波形（MX25UM51345G，247KB App）。通道二連接POR引腳，電平拉高是啟動計時的開始，啟動後會先經歷BootROM時間（CM7內核先執行ROM代碼，做一些常規系統初始化，讀取用戶啟動配置，然後配置好FlexSPI模塊），底下再經歷BootFlash時間（還是在ROM里執行，不過此時開始訪問外部Flash，從Flash里讀取FDCB、IVT、BootData以及搬移App，所以你會看到通道三（Flash的片選信號）上會有持續的波形變化，搬移完成之後便跳轉到App里執行），最後你會看到通道四電平拉高了（App在執行）。

　　作為比較，再來看一下XIP啟動的波形（MX25UM51345G，246KB App）。BootROM時間跟Non-XIP基本差不多，這是可以理解的，同樣的ROM代碼在執行，消耗的機器周期是不變的。BootFlash的時間明顯縮短了，Flash片選的波形只有屈指可數的幾次，這是因為ROM此時只需要讀取FDCB、IVT、BootData，根據IVT里的鏈接地址信息得知App不需要搬移就直接跳轉了。

　　分析完了啟動時間組成，讓我們看結果吧。痞子衡基於Flash工作模式、App長度、App執行地址的組合一共做了8個測試，結果如下表所示（註：表中結果都是在1.25M次/秒的採樣率下所得）：

2.2 結果分析

　　從上面表格裡的結果我們可以得到如下三個結論：

• 結論1：不管是哪種Flash連接，BootROM時間差不多是固定的，大概在6.9ms
• 結論2：XIP啟動的情況下，BootFlash時間幾乎也是固定的，跟App長度無關，大概在1.6ms
• 結論3：Non-XIP啟動的情況下，BootFlash時間跟App長度成正比，但是跟Flash工作模式（速度）不是正比（甚至可以說關係不太大）

　　關於結論3里的BootFlash時間跟Flash工作模式（速度）不是正比這點有必要展開研究一下。痞子衡的測試結果是ROM從Flash拷貝247KB數據到ITCM，無論是從QSPI Flash拷貝還是從Octal Flash拷貝所花時間竟然幾乎是一致的，這個看起來挺奇怪的，畢竟僅從Flash自身讀訪問速度而言，Octal Flash應該是QSPI Flash的五倍（8bit x 2 x 166MHz) / (4bit x 1 x 133MHz）。

　　為瞭解開謎題，痞子衡對時序圖裡CS信號做了進一步分析，下圖是QSPI Flash的啟動時序圖，ROM拷貝247KB的數據耗時約7.833ms，每個CS周期是114.4us，扣除時序前期的空閑時間以及讀Boot Header，拷貝App期間共有62個CS周期，那麼每個CS周期實際拷貝了4KB數據，這代表ROM配置了FlexSPI prefetch buffer的長度為4KB（RT1170最大是4KB，RT1060最大是1KB）並且使能了Prefetch功能。從QSPI Flash本身速度理論計算，讀4KB數據應該耗時 4KB / (4bit x 133MHz) = 61.59us，這與實際測量的CS信號的低電平時間是吻合的。再來看CS信號周期的高電平(idle)時間足有52.8us，為什麼會有這麼長的空閑時間？疑問先放在這裡。

　　同樣的方法再來分析一下Octal Flash的啟動時序圖。從Octal Flash本身速度理論計算，讀4KB數據應該耗時 4KB / (8bit x 2 x 166MHz) = 12.33us，這與實際測量的CS信號的低電平時間依然是吻合的。結合上面分析的QSPI Flash CS低有效時間來看，兩者確實是五倍的關係。但是此時的CS信號周期的高電平時間比QSPI Flash下的時間要更長，達到了100.47us，最終導致兩種不同性能Flash下拷貝時間差不多。

　　分析到這裡，我們已經找到了線索，ROM從Flash prefetch buffer里拷貝4KB數據到TCM固定耗時約112us，因此速度瓶頸不在Flash本身讀速率，而在於搬移時的開銷，那麼是什麼導致了這個固定開銷？

　　因為ROM代碼是個黑盒子，我們看不見，痞子衡為了找到這個系統開銷，在Octal Flash Non-XIP啟動的App里用memcpy做了同樣的數據搬移。根據上面表格裡的結果，我們知道ROM里搬移230KB數據需耗時6.576ms，經測試App里搬移230KB數據僅需3.265ms，ROM和App的區別主要是執行效率不一樣（ROM預設配置的CPU主頻是400MHz（註：最高可以配到696MHz），App配置的CPU主頻是996MHz），所以CPU主頻是影響固定開銷的因素。

    memcpy((void *)0x6000, (const void *)0x30002000, 230 * 1024);

　　因為Non-XIP App沒有為FlexSPI映射地址開啟cache，痞子衡特地開了cache再次做了測試，這次拷貝230KB數據僅需724us，這個值幾乎已經逼近了理論計算值（230KB/4KB) x 12.33us = 708.9us，所以ROM是在沒有使能cache下做的數據搬移，Cache是否使能也是影響固定開銷的因素。

//#if defined(XIP_EXTERNAL_FLASH) && (XIP_EXTERNAL_FLASH == 1)
    /* Region 7 setting: Memory with Normal type, not shareable, outer/inner write back. */
    MPU->RBAR = ARM_MPU_RBAR(7, 0x30000000U);
    MPU->RASR = ARM_MPU_RASR(0, ARM_MPU_AP_RO, 0, 0, 1, 1, 0, ARM_MPU_REGION_SIZE_16MB);
//#endif

　　這個發現也告訴我們使用memcpy()函數搬移Flash數據，是否使能cache對執行效率影響非常大。使能cache之後，做數據搬移時，CPU往TCM寫數據與cache從Flash里預取數據可以更大程式的並行，並且cache的讀都是burst操作，能加速搬移。而如果不使能cache，下一次的Flash讀需要等待上一次CPU寫完TCM才會開始，搬移時間會長。

　　至此，恩智浦i.MX RT1170 FlexSPI NOR啟動時間痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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