痞子衡嵌入式：恩智浦i.MX RT1xxx系列MCU啓動那些事（11.1）- FlexSPI NOR鏈接方式大全(RT1015/1020/1050)

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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恩智浦i.MX RT1015/1020/1050三款MCU的FlexSPI NOR啓動的鏈接方式。

　　因爲i.MXRT內部沒有非易失性存儲器，所以在系統設計時爲i.MXRT搭配一塊存放應用程序代碼的存儲器是頭等大事。i.MXRT支持啓動的外部存儲器類型衆多，其中經過FlexSPI接口鏈接串行NOR Flash是首選。
　　就i.MXRT芯片引腳自己來講，其FlexSPI模塊支持的Pinmux選擇較多，這在芯片參考手冊Chip IO一章能夠找到具體信息。可是並非全部FlexSPI Pinmux組合都能被用來鏈接串行NOR Flash去啓動。
　　i.MXRT1050/1020/1015是i.MXRT系列MCU家族比較早亮相的型號，也是客戶當前使用較多的i.MXRT芯片。它們三兄弟內部均只有一個雙通道8bit的FlexSPI模塊，在FlexSPI NOR啓動鏈接方式支持上是類似的。今天痞子衡就來跟你們好好聊一聊到底哪些FlexSPI NOR鏈接方式是能夠用做啓動的。

1、FlexSPI鏈接模式

　　在講啓動鏈接以前，首先跟你們簡單聊一下FlexSPI模塊的鏈接模式。從手冊裏看，FlexSPI一共有三種鏈接模式：

Individual mode：以下圖左邊Flash A1+A2+B1+B2，它們分時複用FlexSPI，同一時刻僅有一個四線QSPI Flash被操做（僅一個PORT有數據收發）。
Parallel mode：以下圖左邊Flash A1+B1或Flash A2+B2，同一時刻兩個四線QSPI Flash能夠一塊兒被操做（兩個PORT都有數據收發），FlexSPI會自動合併/拆分數據(read/program)到兩個PORT。
Combination mode：以下圖右邊Flash A1或A2，這是FlexSPI接八線Octal/Hyper Flash的方法。

2、涉及FlexSPI引腳

　　說起啓動，就不得不提i.MXRT芯片內部BootROM，BootROM是固化在芯片內部ROM空間的一段代碼，芯片上電永遠是BootROM先運行，由BootROM從外部存儲器去加載應用程序執行。所以FlexSPI NOR鏈接方式實際上是由BootROM決定的，更直白點說，其實FlexSPI NOR鏈接方式是寫死在BootROM代碼裏。

2.1 BootROM指定

　　咱們能夠在芯片參考手冊System Boot這一章節找到BootROM指定的FlexSPI NOR引腳，痞子衡整理以下：

　　下表適用於i.MXRT105x（適用全系列封裝）：

　　下表適用於i.MXRT102x和i.MXRT1015（對於LQFP144封裝，全部引腳均適用。對於LQFP100封裝，只有1st Option裏ALT爲1的12根線可用）：

　　上面的表格基本上已經給咱們指明瞭方向，目前咱們知道了哪些Pin能夠用做FlexSPI NOR啓動鏈接，可是彷佛仍是有一些不清楚的地方：

疑問1：1st Option裏一共有4根片選信號（SSx）和2根DQS信號，而Flash只須要一個片選和一個DQS，是否是全部片選+DQS組合均可以？
疑問2：1st Option裏一共8根數據線，除了鏈接八線Octal/Hyper Flash以外，是否能夠單連四線QSPI Flash？PortA和PortB是否是均可以連QSPI Flash？
疑問3：是否能夠從1st和2nd Option裏分別挑選信號線和數據線來鏈接Flash？好比1st Option裏的PortA_DATA[1:0]和2nd Option裏的PORTA_DATA[3:2]組成四線。
疑問4：那根FlexSPI Reset信號對於1st和2nd Option是否是都適用？
疑問5：是否能夠掛兩片QSPI Flash啓動？具體怎麼掛？兩片Flash可否實如今一片Flash中執行代碼去擦寫另外一片Flash？
疑問6：2nd Option裏只有PortA和一根片選，但RT1050 Pinmux表裏其也支持PortB和其餘片選，那些信號線後續是否能夠利用？

　　在後面的內容裏，痞子衡會逐一爲你們解析這些疑問。

2.2 BootROM未指定

　　在此也列出不在BootROM指定的FlelxSPI NOR引腳，方便後續設計雙Flash時參考。

　　下表適用於i.MXRT105x（適用全系列封裝）：

　　下表適用於i.MXRT102x和i.MXRT1015（適用全系列封裝）：

3、單Flash鏈接方式（3種）

　　在系統設計時使用一片Flash是最經常使用的狀況，這片Flash負責存放應用程序代碼（即所謂的Code Flash），i.MXRT既能夠在Flash中原地執行，也能夠將應用程序拷貝到內部RAM中執行。
　　相信你們作板級設計必定會參考官方EVK，在RT1050-EVKB中，官方給出了以下兩種單Flash的鏈接方式，這也是最推薦的兩種方式：
　　第一種Flash鏈接方式就是利用FlexSPI 1st Option裏的6根PORTA信號線鏈接四線QSPI Flash，此處須要注意的是片選信號僅能選PORTA_SS0，你可能會疑問PORTA_SS1明明也在BootROM支持列表裏，爲什麼不能用？關於這一點痞子衡會在後面雙Flash鏈接裏爲你們解釋。

　　第二種Flash鏈接方式就是利用FlexSPI 1st Option裏的7根PORTA信號線和5根PORTB信號線鏈接八線Octal/Hyper Flash，此處仍需注意的是片選和DQS信號僅能選PORTA_SS0、PORTA_DQS。此種Flash接法還利用了FlexSPI Reset信號。

　　第三種Flash鏈接方式就是利用FlexSPI 2nd Option裏的6根PORTA信號線鏈接四線QSPI Flash，具體接法跟第一種方式很像，可是此處沒有關於片選的疑慮，由於2nd Option只有一個片選。

　　介紹完三種單Flash鏈接方案，如今來解答一些前面列出的疑問。

解答1：1st Option裏一共4根片選信號（SSx）和2根DQS信號並非隨意組合均可以，不管是四線仍是八線單Flash鏈接方案，均只有PORTA_SS0、PORTA_DQS這一種組合可用。其餘組合主要用在雙Flash鏈接方案中。
解答2：1st Option中僅PORTA能夠單獨接四線QSPI Flash，不支持PORTB單獨接四線QSPI Flash。
解答3：不支持從1st和2nd Option裏分別挑選數據線來鏈接Flash（不過就FlexSPI模塊自己而言，理論上是支持的，但這麼用的話須要解決數據線信號等長問題，由於這兩個Option的走線長度在芯片內部不同，總之不推薦這麼用）。可是支持1st Option裏取信號線，2nd Option裏取數據線相似這種組合方式來鏈接Flash。
解答4：FlexSPI Reset信號是與1st、2nd Option無關的，因此兩個Option下都可以用，不過Reset信號經常使用於八線Flash。

4、雙Flash鏈接方式（18種）

　　不少實際系統設計中，經常有既在Flash中存放用戶應用程序，也在Flash中存放用戶數據的場景，固然咱們能夠將一片Flash分紅Code區和Data區來實現，但更好的方案是選用兩片Flash（一片Code Flash、一片Data Flash）同時掛在FlexSPI上，這樣能夠避免數據誤操做，並且最重要的是在擦除或者編程Data Flash的等待期間（這個時間可不短），CPU能夠繼續從Code Flash取代碼執行或響應中斷。此處咱們暫不討論支持RWW特性的Flash。
　　i.MXRT支持掛兩片Flash去啓動，此處僅以兩片四線QSPI Flash爲例。下圖給出了多片Flash的鏈接方式，理論上一個FlexSPI最多能夠掛四片Flash，由於最大有4個片選。但僅考慮接兩片Flash的話，1st Option以及2nd Option裏全部片選按排列組合來講應該有近30多種組合方式，那麼這30多種組合是否是均可行呢？固然不是！要在這些組合中剔除掉不包含1st A_SS0或者2nd A_SS0的組合。即下圖中標淺綠色的Flash A0在雙Flash組合中是必定要存在的，由於BootROM上電永遠是從Flash A0中獲取FDCB以及啓動代碼頭（IVT, BootData），因此Flash A0就是Code Flash。

　　分析到了這裏，咱們就知道以下符合條件的18種包含Flash A0的組合方式，其中標記Code的片選信號應該鏈接存放應用程序代碼的Code Flash，標記Data的片選信號則鏈接存放用戶數據的Data Flash：

Note1：若是兩個Flash掛在同一類型PORT上（都是PORTA或都是PORTB），即下面的第一、二、三、十、十一、12種組合時，這兩片Flash最好是同一個型號，這樣電氣特性容易保持一致。
Note2：若是組合中全部引腳選擇所有在BootROM指定範圍裏，那麼BootROM直接支持Data Flash的配置。若是有引腳不在BootROM指定範圍，那麼須要用戶在Code Flash用代碼去實現Data Flash配置。

Num	FlexSPI 1st Option									FlexSPI 2nd Option
	BootROM指定							BootROM未指定		BootROM指定		BootROM未指定
					不適用LQFP100					不適用LQFP100		不適用LQFP144/100
	A_SS0	A_DATA[3:0] A_SCLK	B_SCLK	B_DATA[3:0]	A_SS1	B_SS0	B_SS1	A_SS1	B_SS0	A_SS0	A_DATA[3:0] A_SCLK	A_SS1	B_DATA[3:0]
1	✔ Code	✔			✔ Data
2	✔ Code	✔						✔ Data
3	✔ Code	✔										✔ Data
4	✔ Code	✔	✔	✔		✔ Data
5	✔ Code	✔	✔			✔ Data							✔
6	✔ Code	✔	✔	✔					✔ Data
7	✔ Code	✔	✔						✔ Data				✔
8	✔ Code	✔	✔	✔			✔ Data
9	✔ Code	✔	✔				✔ Data						✔
10					✔ Data					✔ Code	✔
11								✔ Data		✔ Code	✔
12										✔ Code	✔	✔ Data
13			✔	✔		✔ Data				✔ Code	✔
14			✔			✔ Data				✔ Code	✔		✔
15			✔	✔					✔ Data	✔ Code	✔
16			✔						✔ Data	✔ Code	✔		✔
17			✔	✔			✔ Data			✔ Code	✔
18			✔				✔ Data			✔ Code	✔		✔

　　介紹完18種雙Flash鏈接方案，如今來解答一些前面列出的疑問。

解答5：能夠掛兩片QSPI Flash啓動，一共有18種鏈接方式。兩片Flash的方案仍是不能夠實如今Code Flash裏原地執行代碼去擦寫Data Flash這種用法，但能夠實現RWW的核心意義，下一節會單獨展開講這個。
解答6：不在BootROM指定的2nd Option PortB信號能夠用於鏈接Data Flash，可是Data Flash的配置須要由Code Flash裏的用戶應用程序代碼來完成，BootROM沒法直接配置Data Flash。

5、關於RWW的注意事項

　　如今市面上大部分Flash（尤爲是普通四線QSPI）是不支持RWW（Read-While-Write）特性的，就是在單片Flash上沒法實現同時讀寫。但若是咱們在i.MXRT1015/1020/1050系統設計中採用一片支持RWW特性的Flash或者直接使用兩片Flash，是否能夠實如今Code Flash（或RWW Flash中的Code分區）中原地執行代碼去擦寫Data Flash（或RWW Flash中的Data分區）這種需求。答案其實仍是不能夠，這是由FlexSPI模塊自己特性限制的，這個特性就是同一個FlexSPI模塊下的AHB command和IP command是互斥的。

5.1 FlexSPI異類命令互斥特性

　　下圖是FlexSPI模塊框圖，能夠這麼簡單理解，CPU去Code Flash取程序代碼指令走的是64bit AHB Bus（即AHB command），Code Flash裏的程序代碼裏調用FlexSPI驅動去擦除或編程Data Flash走的是32bit IPS Bus（即IP command），這兩種不一樣類型的command會通過ARB_CTL模塊去仲裁，同一時間只有一種command勝出成爲ARB command去實際操做Flash。

　　那FlexSPI模塊這個限制到底怎麼破？有如下四種方式能夠來幫忙：

方法1：在MPU裏設置Code Flash對應的映射地址區域，使能Cache，而且保證應用程序代碼裏調用FlexSPI驅動去擦寫Data Flash的關鍵部分（觸發IP CMD執行）始終緩存在Cache裏。
方法2：將應用程序代碼裏調用FlexSPI驅動去擦寫Data Flash的關鍵部分搬運到RAM空間去運行，能夠直接藉助IDE特性去完成（好比IAR，能夠用__ramfunc去修飾關鍵函數）。
方法3：在寫Data Flash的時候藉助DMA來搬運數據，不讓CPU干預，具體能夠參考官方《AN12564 Implement RWW on i.MX RT Series》
方法4：應用程序代碼裏的FlexSPI驅動直接使用BootROM API（代碼是在ROM空間運行的）。

　　這四種方法裏首推方法4，既能實現需求，又能省Code Flash空間（FlexSPI驅動代碼說小不小）。方法1實際上是不推薦的，畢竟Cache是種玄學，豈是你想控制就控制的。

5.2 RWW的核心意義

　　最後再說一下，掛兩片Flash（或一片RWW Flash）到底相比掛一片非RWW Flash有什麼好處？這就涉及到RWW的核心意義了，其實痞子衡前面已經講過了，雖然不能實如今Code Flash中原地執行擦寫操做相關代碼，可是在Data Flash擦寫等待期間，CPU能夠繼續從Code Flash取代碼執行，這意味着此時不須要刻意關閉系統全局中斷，所以不影響系統響應的實時性。

　　至此，恩智浦i.MX RT1015/1020/1050三款MCU的FlexSPI NOR啓動的鏈接方式痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裏~~~

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