痞子衡嵌入式：恩智浦i.MX RT1xxx系列MCU外設那些事（2）- 善變的FlexRAM

　　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 RT1xxx系列MCU的FlexRAM外設。

　　本文是外設系列第二篇，上一篇講的是離內核最近的高速緩存L1 Cache，今天咱們聊離內核第二近的靜態記憶體SRAM。眾所周知，i.MXRT系列內部沒有非易失性存儲器，但內部SRAM還是必備的，這個SRAM可用於存放data、Stack、Heap段或者Non-XIP代碼text段等。我們知道Cortex-M7架構引入了TCM屬性的靜態記憶體，以Cortex-M7為內核的i.MXRT當然要支持TCM，除了TCM之外，i.MXRT還支持普通的OCRAM（On-chip SRAM），TCM和OCRAM在i.MXRT里都有著各自不可替代的應用場合，而在不同的具體應用中，TCM和OCRAM大小需求是不同的。為了能夠靈活調整TCM和OCRAM大小，i.MXRT中引入了FlexRAM這個外設，今天痞子衡就跟大家聊一聊FlexRAM：

一、FlexRAM原理

　　關於FlexRAM原理，下麵這一張模塊框圖基本就概括了FlexRAM方方面面，包含FlexRAM三種形態（ITCM/DTCM/OCRAM）、系統匯流排連接、區域供電控制、大小分配控制等。下麵咱們就來分別聊：

1.1 記憶體結構

　　先說FlexRAM記憶體結構，不管FlexRAM處於哪種形態（ITCM/DTCM/OCRAM），其本質上還是SRAM。因為FlexRAM需要被動態配置成不同形態，因此SRAM被劃分成很多小塊，每個小塊稱為一個Bank，Bank是配置形態的最小單元。i.MXRT里每個Bank的SRAM大小為32KB（見下圖中RAM_x_y，每個Bank雖由2個16KB RAM Block組成，但這兩個RAM block是綁定在一條線上的，不可分割）

1.2 速度(性能)

　　再聊FlexRAM性能，FlexRAM三種形態（ITCM/DTCM/OCRAM）訪問速度是不一樣的，這主要是因為掛的匯流排類型不一樣。TCM分為ITCM和DTCM，分別掛在64bit的I-TCM和2x32bit的D-TCM匯流排上，而OCRAM則掛在了64bit的AXI匯流排上。

• Integrated I-TCM and D-TCM RAM controller
  • 64-bit I-TCM interface and 2x 32-bit D-TCM interface.
  • Synchronous interface to the M7 Core,run at the same frequency as the core
• Integrated OCRAM controller
  • As slave module on the 64-bit system AXI bus
  • Synchronous to the system bus, runs at the same frequency as bus fabric

　　TCM匯流排總是跟內核同頻，AXI Master匯流排也是跟內核同頻，但是AXI匯流排經由NIC-301模塊中轉處理後才輸出給OCRAM，NIC-301固定工作在1/4內核主頻下，因此OCRAM主頻也只有內核頻率的1/4。
　　下圖是RT1050上FlexRAM與內核之間的具體連接（圖中SIM_M7頻率是132MHz，這是以528MHz標準內核主頻的1/4來算的）：

　　下圖是RT1170上FlexRAM與內核之間的具體連接（圖中SIM_M7頻率是240MHz，這是以960MHz標準內核主頻的1/4來算的）：

　　雖然OCRAM工作頻率比TCM低，但並不意味著放在OCRAM上的數據訪問效率永遠都比TCM訪問效率低。TCM因為速度與L1 Cache一樣，因此系統設計里其不會被L1 Cache緩存，但OCRAM是可以掛在L1 Cache上，有了Cache助陣，OCRAM上數據訪問效率並不一定比TCM慢。

1.3 供電管理

　　說說FlexRAM功耗控制，這部分在不同i.MXRT晶元上差異較大。FlexRAM最多有三個電源域，分別是PDRET、PDRAM0、PDRAM1，這三個域在不同的系統功耗模式下的開關狀態如下：

　　PDRET域只在SNVS模式下才會關閉，基本上算是永遠在工作了。PDRAM0域僅當內核suspend的時候，才可以被主動關閉。PDRAM1域在任意IDLE模式都可以被主動關閉。PDRAMx域的開關控制在GPC模塊里（PDRAM0的控制在GPC->CNTR，PDRAM1的控制在PGC->MEGA_CTRL，PGC是GPC里的子模塊）。
　　下麵我們來看一下目前唯一一款三個FlexRAM電源域均支持的i.MXRT晶元（RT1050）上具體FlexRAM劃分，從下圖中我們可以看出Bank0屬於PDRET域，Bank1-7屬於PDRAM0域，Bank8-15屬於PDRAM1域。

　　痞子衡前面講過，FlexRAM功耗控制在不同i.MXRT晶元上差異較大，主要是因為這三個電源域在不同i.MXRT晶元上控制的Bank不同。之所以有這種差異是因為不同i.MXRT晶元Bank數量不一，並且有的i.MXRT除了支持FlexRAM之外，還支持額外的OCRAM（不屬於FlexRAM範疇），因此功耗管理策略不一。下表很好地總結了不同i.MXRT晶元上FlexRAM電源域控制：

二、FlexRAM配置

　　前面扯了些FlexRAM原理，痞子衡知道大家略嫌枯燥，下麵咱就上點乾貨，談一談大家最關心的FlexRAM怎麼具體配置三種形態（ITCM、DTCM、OCRAM），這也是大家在做項目時最常用的功能。

2.1 記憶體容量

　　i.MXRT各晶元記憶體容量是不一樣的，我們知道每個SRAM Bank都是32KB，記憶體容量不同則Bank數量不同，下表羅列了各i.MXRT晶元FlexRAM大小及Bank數：

2.2 映射地址

　　在講FlexRAM配置前，首先有必要交待一下FlexRAM各形態在ARM 4GB地址空間中的映射。對於CM7主核而言，ITCM永遠是從0x0000_0000地址開始映射，DTCM永遠是從0x2000_0000開始映射，而OCRAM的起始映射地址因i.MXRT晶元而異（如果i.MXRT中沒有非FlexRAM屬性的OCRAM，那麼就從0x2020_0000開始映射；如果i.MXRT中有獨立的OCRAM，那麼那個獨立的OCRAM從0x2020_0000開始映射，屬於FlexRAM的OCRAM則緊隨其後映射，註：這個規則在RT1170的CM4內核下不適用）。
　　下表是RT1050上的FlexRAM映射地址（RT1050沒有獨立的OCRAM，則OCRAM從0x2020_0000開始映射）：

　　下表是RT1060上的FlexRAM映射地址（RT1060有512KB獨立的OCRAM，屬於FlexRAM的OCRAM則從0x2028_0000開始映射）：

　　下表是RT1170的CM7內核上的FlexRAM映射地址（CM7核下可以看到全部1.5MB獨立的OCRAM，屬於FlexRAM的OCRAM則從0x2038_0000開始映射）：

　　下表是RT1170的CM4內核上的FlexRAM映射地址（CM4核下僅能看到有1.125MB獨立的OCRAM，屬於FlexRAM的OCRAM從0x2020_0000開始映射）：

2.3 靜態配置

　　確定了FlexRAM各形態起始映射地址，那麼FlexRAM配置主要就是關心每個形態（ITCM/DTCM/OCRAM）的容量各配置多少。晶元POR上電後，i.MXRT預設從eFuse中獲取FlexRAM各形態容量分配值。如果想用這種方式配置FlexRAM，只需要根據下麵表格，找到合適的值燒寫進eFuse即可，關於eFuse燒寫，可參考痞子衡這篇文章 《eFUSE及其燒寫方法》。需要註意的是燒寫完eFuse之後，需要複位才會生效。
　　下表適用128KB容量FlexRAM的RT10xx系列（如RT1011、RT1015）：

　　下表適用256KB容量FlexRAM的RT10xx系列（如RT1021）：

　　下表適用512KB容量FlexRAM的RT10xx系列（如RT105x、RT106x）：

　　下表適用512KB容量FlexRAM的RT11xx系列（如RT117x）：

2.4 動態配置

　　i.MXRT也支持利用IOMUXC_GPR寄存器來動態配置FlexRAM，這也是為瞭解決利用eFuse靜態配置FlexRAM的兩個主要缺點：

• Fuse燒寫僅可一次，因此無法多次調整FlexRAM配置
• Fuse中僅4/6bit配置位，沒有窮盡所有FlexRAM Bank組合

　　利用IOMUXC_GPR寄存器可以多次重覆配置FlexRAM各形態容量，並且配置是立即生效的，而且IOMUXC_GPR寄存器僅在POR時才被覆位，普通System Reset無法複位其值。利用IOMUXC_GPR寄存器配置FlexRAM需要按照如下步驟來操作：

2.4.1 分配Bank

　　首先是指定FlexRAM各Bank的分配情況，利用IOMUXC_GPR17寄存器的FLEXRAM_BANK_CFG位，你可以自由指定每個Bank最終形態（ITCM/DTCM/OCRAM）。

2.4.2 激活Bank分配

　　分配好各Bank形態後，將IOMUXC_GPR16寄存器的FLEXRAM_BANK_CFG_SET置位，FLEXRAM_BANK_CFG指定的配置即立刻生效，此時你去訪問ITCM/DTCM/OCRAM，已經是新配置下的映射空間了。

　　我們使用J-Link在RT1050上做個實驗：

2.4.3 禁掉TCM（可選）

　　如果前面Bank分配時，沒有分配ITCM或DTCM，那麼最好在IOMUXC_GPR16寄存器里將對應INIT_ITCM/DTCM_EN位給清零。預設ITCM/DTCM都是使能的，如果INIT_ITCM/DTCM_EN位被禁掉，需要軟複位才會生效，軟複位後內核無法正常TCM映射地址空間，無論Bank分配時是否預留了TCM空間。痞子衡建議這一步可以不做，就一直預設TCM使能。

　　我們使用J-Link在RT1050上做個實驗：

2.4.4 調整TCM容量（可選）

　　最後就是根據前面的Bank分配，在IOMUXC_GPR14或者IOMUXC_GPR16寄存器里設置CFGITCMSZ/CFGDTCMSZ重新調整ITCM/DTCM容量，TCM容量調整是立刻生效的，這決定內核可能訪問到的最大TCM空間。預設ITCM/DTCM容量都是FlexRAM總容量，這並不代表ITCM/DTCM實際容量，只代表ITCM/DTCM可能的最大容量。痞子衡建議這一步也可以不做，就一直預設配置TCM到最大容量。

　　我們使用J-Link在RT1050上做個實驗：

2.4.5 示例代碼

　　如果使用FlexRAM動態配置，這段配置代碼需要嵌入到應用程式里，每次程式跑之前都需要配一次。由於涉及到FlexRAM重新配置了，因此配置代碼運行時必須不能依賴任何FlexRAM空間，程式text段最好是鏈接在外部Flash中或者外部RAM（SDRAM/HyperRAM）中。
　　如果text段鏈接是合乎條件的應用程式，配置代碼在應用程式中的邏輯位置也需要註意，需要放在data/bss段初始化以任何函數調用（壓棧）之前（此處假設TCM用作了存放data或STACK功能），因此最佳位置就是在Reset_Handler，應用程式一上來就執行FlexRAM動態配置。
　　RT1050示例彙編代碼如下（預設eFuse配置128KB ITCM, 128KB DTCM, 256KB DTCM，我們使用IOMUXC_GPR動態配置成64KB ITCM, 128KB DTCM, 320KB OCRAM），應用程式工程預編譯選項里應設FLEXRAM_CFG_ENABLE=1，並且無需定義FLEXRAM_ITCM/DTCM_ZERO_SIZE。

__iomux_gpr14_adr     EQU  0x400AC038
__iomux_gpr16_adr     EQU  0x400AC040
__iomux_gpr17_adr     EQU  0x400AC044

__flexram_bank_cfg    EQU  0x55555FAA

__flexram_itcm_size   EQU  0x7        ;64KB
__flexram_dtcm_size   EQU  0x8        ;128KB

Reset_Hanlder
    CPSID I                     ;關閉全局中斷

;//////////////////////////////////////
#ifdef FLEXRAM_CFG_ENABLE
    ;分配Bank，並且激活Bank配置
    LDR R0,=__iomux_gpr17_adr
    MOV32 R1,__flexram_bank_cfg
    STR R1,[R0]
    LDR R0,=__iomux_gpr16_adr
    LDR R1,[R0]
    ORR R1,R1,#4
    STR R1,[R0]
;//////////////////////////////
#ifdef FLEXRAM_ITCM_ZERO_SIZE
    ;禁掉ITCM
    LDR R0,=__iomux_gpr16_adr
    LDR R1,[R0]
    AND R1,R1,#0xFFFFFFFE
    STR R1,[R0]
#endif
;//////////////////////////////
#ifdef FLEXRAM_DTCM_ZERO_SIZE
    ;禁掉DTCM
    LDR R0,=__iomux_gpr16_adr
    LDR R1,[R0]
    AND R1,R1,#0xFFFFFFFD
    STR R1,[R0]
#endif
;//////////////////////////////////////
    ;調整TCM容量
    LDR R0,=__iomux_gpr14_adr
    LDR R1,[R0]
    MOVT R1,#0x0000
    MOV R2,#__flexram_itcm_size
    MOV R3,#__flexram_dtcm_size
    LSL R2,R2,#16
    LSL R3,R3,#20
    ORR R1,R2,R3
    STR R1,[R0]
#endif
;//////////////////////////////////////
    LDR R0,=0xE000ED08
    LDR R1,=__vector_table
    STR R1,[R0]
    LDR R2,[R1]
    MSR MSP,R2
    LDR R0,=SystemInit
    BLX R0
    CPSIE I
    LDR R0,=-_iar_program_start
    BX R0

　　至此，恩智浦i.MX RT1xxx系列MCU的FlexRAM外設痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~