痞子衡嵌入式：飛思卡爾i.MX RTyyyy系列MCU外設那些事（2）- 善變的FlexRAM

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　　你們好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給你們介紹的是飛思卡爾i.MX RTyyyy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，今天我們聊離內核第二近的靜態內存SRAM。衆所周知，i.MXRT系列內部沒有非易失性存儲器，但內部SRAM仍是必備的，這個SRAM可用於存放data、Stack、Heap段或者Non-XIP代碼text段等。咱們知道Cortex-M7架構引入了TCM屬性的靜態內存，以Cortex-M7爲內核的i.MXRT固然要支持TCM，除了TCM以外，i.MXRT還支持普通的OCRAM（On-chip SRAM），TCM和OCRAM在i.MXRT裏都有着各自不可替代的應用場合，而在不一樣的具體應用中，TCM和OCRAM大小需求是不一樣的。爲了可以靈活調整TCM和OCRAM大小，i.MXRT中引入了FlexRAM這個外設，今天痞子衡就跟你們聊一聊FlexRAM：

1、FlexRAM原理

　　關於FlexRAM原理，下面這一張模塊框圖基本就歸納了FlexRAM方方面面，包含FlexRAM三種形態（ITCM/DTCM/OCRAM）、系統總線鏈接、區域供電控制、大小分配控制等。下面我們就來分別聊：

1.1 內存結構

　　先說FlexRAM內存結構，無論FlexRAM處於哪一種形態（ITCM/DTCM/OCRAM），其本質上仍是SRAM。由於FlexRAM須要被動態配置成不一樣形態，所以SRAM被劃分紅不少小塊，每一個小塊稱爲一個Bank，Bank是配置形態的最小單元。i.MXRT裏每一個Bank的SRAM大小爲32KB（見下圖中RAM_x_y，每一個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）訪問速度是不同的，這主要是由於掛的總線類型不同。TCM分爲ITCM和DTCM，分別掛在64bit的I-TCM和2x32bit的D-TCM總線上，而OCRAM則掛在了64bit的AXI總線上。

• 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總線老是跟內核同頻，AXI Master總線也是跟內核同頻，可是AXI總線經由NIC-301模塊中轉處理後才輸出給OCRAM，NIC-301固定工做在1/4內核主頻下，所以OCRAM主頻也只有內核頻率的1/4。
　　下圖是RT1050上FlexRAM與內核之間的具體鏈接（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與內核之間的具體鏈接（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工做頻率比TCM低，但並不意味着放在OCRAM上的數據訪問效率永遠都比TCM訪問效率低。TCM由於速度與L1 Cache同樣，所以系統設計裏其不會被L1 Cache緩存，但OCRAM是能夠掛在L1 Cache上，有了Cache助陣，OCRAM上數據訪問效率並不必定比TCM慢。

1.3 供電管理

　　說說FlexRAM功耗控制，這部分在不一樣i.MXRT芯片上差別較大。FlexRAM最多有三個電源域，分別是PDRET、PDRAM0、PDRAM1，這三個域在不一樣的系統功耗模式下的開關狀態以下：

　　PDRET域只在SNVS模式下才會關閉，基本上算是永遠在工做了。PDRAM0域僅當內核suspend的時候，才能夠被主動關閉。PDRAM1域在任意IDLE模式均可以被主動關閉。PDRAMx域的開關控制在GPC模塊裏（PDRAM0的控制在GPC->CNTR，PDRAM1的控制在PGC->MEGA_CTRL，PGC是GPC裏的子模塊）。
　　下面咱們來看一下目前惟一一款三個FlexRAM電源域均支持的i.MXRT芯片（RT1050）上具體FlexRAM劃分，從下圖中咱們能夠看出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功耗控制在不一樣i.MXRT芯片上差別較大，主要是由於這三個電源域在不一樣i.MXRT芯片上控制的Bank不一樣。之因此有這種差別是由於不一樣i.MXRT芯片Bank數量不一，而且有的i.MXRT除了支持FlexRAM以外，還支持額外的OCRAM（不屬於FlexRAM範疇），所以功耗管理策略不一。下表很好地總結了不一樣i.MXRT芯片上FlexRAM電源域控制：

芯片	FlexRAM電源域
	PDRET	PDRAM0	PDRAM1
i.MXRT117x	-	Bank0-15	-
i.MXRT106x	-	Bank0-15	-
i.MXRT105x	Bank0	Bank1-7	Bank8-15
i.MXRT1021	Bank0-7	-	-
i.MXRT101x	Bank0-3	-	-

2、FlexRAM配置

　　前面扯了些FlexRAM原理，痞子衡知道你們略嫌枯燥，下面咱就上點乾貨，談一談你們最關心的FlexRAM怎麼具體配置三種形態（ITCM、DTCM、OCRAM），這也是你們在作項目時最經常使用的功能。

2.1 內存容量

　　i.MXRT各芯片內存容量是不同的，咱們知道每一個SRAM Bank都是32KB，內存容量不一樣則Bank數量不一樣，下表羅列了各i.MXRT芯片FlexRAM大小及Bank數：

芯片	FlexRAM大小	Bank數量	獨立OCRAM大小
i.MXRT117x	512KB	16個，Bank0-15	1.5MB
i.MXRT106x	512KB	16個，Bank0-15	512KB
i.MXRT105x	512KB	16個，Bank0-15	-
i.MXRT1021	256KB	8個，Bank0-7	-
i.MXRT101x	128KB	4個，Bank0-3	-

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芯片而異（若是i.MXRT中沒有非FlexRAM屬性的OCRAM，那麼就從0x2020_0000開始映射；若是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，注：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核下能夠看到所有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

　　肯定了FlexRAM各形態起始映射地址，那麼FlexRAM配置主要就是關心每一個形態（ITCM/DTCM/OCRAM）的容量各配置多少。芯片POR上電後，i.MXRT默認從eFuse中獲取FlexRAM各形態容量分配值。若是想用這種方式配置FlexRAM，只須要根據下面表格，找到合適的值燒寫進eFuse便可，關於eFuse燒寫，可參考痞子衡這篇文章 《eFUSE及其燒寫方法》。須要注意的是燒寫完eFuse以後，須要復位纔會生效。
　　下表適用128KB容量FlexRAM的RT10xx系列（如RT10十一、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，這也是爲了解決利用eFuse靜態配置FlexRAM的兩個主要缺點：

• Fuse燒寫僅可一次，所以沒法屢次調整FlexRAM配置
• Fuse中僅4/6bit配置位，沒有窮盡全部FlexRAM Bank組合

　　利用IOMUXC_GPR寄存器能夠屢次重複配置FlexRAM各形態容量，而且配置是當即生效的，並且IOMUXC_GPR寄存器僅在POR時才被複位，普通System Reset沒法復位其值。利用IOMUXC_GPR寄存器配置FlexRAM須要按照以下步驟來操做：

2.4.1 分配Bank

　　首先是指定FlexRAM各Bank的分配狀況，利用IOMUXC_GPR17寄存器的FLEXRAM_BANK_CFG位，你能夠自由指定每一個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指定的配置即馬上生效，此時你去訪問ITCM/DTCM/OCRAM，已是新配置下的映射空間了。

　　咱們使用J-Link在RT1050上作個實驗：

2.4.3 禁掉TCM（可選）

　　若是前面Bank分配時，沒有分配ITCM或DTCM，那麼最好在IOMUXC_GPR16寄存器裏將對應INIT_ITCM/DTCM_EN位給清零。默認ITCM/DTCM都是使能的，若是INIT_ITCM/DTCM_EN位被禁掉，須要軟復位纔會生效，軟復位後內核沒法正常TCM映射地址空間，不管Bank分配時是否預留了TCM空間。痞子衡建議這一步能夠不作，就一直默認TCM使能。

　　咱們使用J-Link在RT1050上作個實驗：

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寄存器裏設置CFGITCMSZ/CFGDTCMSZ從新調整ITCM/DTCM容量，TCM容量調整是馬上生效的，這決定內核可能訪問到的最大TCM空間。默認ITCM/DTCM容量都是FlexRAM總容量，這並不表明ITCM/DTCM實際容量，只表明ITCM/DTCM可能的最大容量。痞子衡建議這一步也能夠不作，就一直默認配置TCM到最大容量。

　　咱們使用J-Link在RT1050上作個實驗：

2.4.5 示例代碼

　　若是使用FlexRAM動態配置，這段配置代碼須要嵌入到應用程序裏，每次程序跑以前都須要配一次。因爲涉及到FlexRAM從新配置了，所以配置代碼運行時必須不能依賴任何FlexRAM空間，程序text段最好是連接在外部Flash中或者外部RAM（SDRAM/HyperRAM）中。
　　若是text段連接是合乎條件的應用程序，配置代碼在應用程序中的邏輯位置也須要注意，須要放在data/bss段初始化以任何函數調用（壓棧）以前（此處假設TCM用做了存放data或STACK功能），所以最佳位置就是在Reset_Handler，應用程序一上來就執行FlexRAM動態配置。
　　RT1050示例彙編代碼以下（默認eFuse配置128KB ITCM, 128KB DTCM, 256KB DTCM，咱們使用IOMUXC_GPR動態配置成64KB ITCM, 128KB DTCM, 320KB OCRAM），應用程序工程預編譯選項裏應設FLEXRAM_CFG_ENABLE=1，而且無需定義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，而且激活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，飛思卡爾i.MX RTyyyy系列MCU的FlexRAM外設痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裏~~~