痞子衡嵌入式：恩智浦i.MX RT1xxx系列MCU啟動那些事（11.B）- FlexSPI NOR連接方式大全(RT1015/1020/1050)

　　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 RT1015/1020/1050三款MCU的FlexSPI NOR啟動的連接方式，

　　由于i.MXRT內部沒有非易失性存盤器，因此在系統設計時為i.MXRT搭配一塊存放應用程式代碼的存盤器是頭等大事，i.MXRT支持啟動的外部存盤器型別眾多，其中通過FlexSPI介面連接串行NOR Flash是首選，
　　就i.MXRT芯片引腳本身來說，其FlexSPI模塊支持的Pinmux選擇較多，這在芯片參考手冊Chip IO一章可以找到具體資訊，但是并不是所有FlexSPI Pinmux組合都能被用來連接串行NOR Flash去啟動，
　　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啟動連接方式支持上是相似的，今天痞子衡就來跟大家好好聊一聊到底哪些FlexSPI NOR連接方式是可以用作啟動的，

一、FlexSPI連接模式

　　在講啟動連接之前，首先跟大家簡單聊一下FlexSPI模塊的連接模式，從手冊里看，FlexSPI一共有三種連接模式：

Individual mode：如下圖左邊Flash A1+A2+B1+B2，它們分時復用FlexSPI，同一時刻僅有一個四線QSPI Flash被操作（僅一個PORT有資料收發），
Parallel mode：如下圖左邊Flash A1+B1或Flash A2+B2，同一時刻兩個四線QSPI Flash可以一起被操作（兩個PORT都有資料收發），FlexSPI會自動合并/拆分資料(read/program)到兩個PORT，
Combination mode：如下圖右邊Flash A1或A2，這是FlexSPI接八線Octal/Hyper Flash的方法，

二、涉及FlexSPI引腳

　　提及啟動，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從外部存盤器去加載應用程式執行，因此FlexSPI NOR連接方式其實是由BootROM決定的，更直白點說，其實FlexSPI NOR連接方式是寫死在BootROM代碼里，

2.1 BootROM指定

　　我們可以在芯片參考手冊System Boot這一章節找到BootROM指定的FlexSPI NOR引腳，痞子衡整理如下：

　　下表適用于i.MXRT105x（適用全系列封裝）：

　　下表適用于i.MXRT102x和i.MXRT1015（對于LQFP144封裝，所有引腳均適用，對于LQFP100封裝，只有1st Option里ALT為1的12根線可用）：

　　上面的表格基本上已經給我們指明了方向，目前我們知道了哪些Pin可以用作FlexSPI NOR啟動連接，但是似憾訓是有一些不清楚的地方：

疑問1：1st Option里一共有4根片選信號（SSx）和2根DQS信號，而Flash只需要一個片選和一個DQS，是不是所有片選+DQS組合都可以？
疑問2：1st Option里一共8根資料線，除了連接八線Octal/Hyper Flash之外，是否可以單連四線QSPI Flash？PortA和PortB是不是都可以連QSPI Flash？
疑問3：是否可以從1st和2nd Option里分別挑選信號線和資料線來連接Flash？比如1st Option里的PortA_DATA[1:0]和2nd Option里的PORTA_DATA[3:2]組成四線，
疑問4：那根FlexSPI Reset信號對于1st和2nd Option是不是都適用？
疑問5：是否可以掛兩片QSPI Flash啟動？具體怎么掛？兩片Flash能否實作在一片Flash中執行代碼去擦寫另一片Flash？
疑問6：2nd Option里只有PortA和一根片選，但RT1050 Pinmux表里其也支持PortB和其他片選，那些信號線后續是否可以利用？

　　在后面的內容里，痞子衡會逐一為大家決議這些疑問，

2.2 BootROM未指定

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

　　下表適用于i.MXRT105x（適用全系列封裝）：

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

三、單Flash連接方式（3種）

　　在系統設計時使用一片Flash是最常用的情況，這片Flash負責存放應用程式代碼（即所謂的Code Flash），i.MXRT既可以在Flash中原地執行，也可以將應用程式拷貝到內部RAM中執行，
　　相信大家做板級設計一定會參考官方EVK，在RT1050-EVKB中，官方給出了如下兩種單Flash的連接方式，這也是最推薦的兩種方式：
　　第一種Flash連接方式就是利用FlexSPI 1st Option里的6根PORTA信號線連接四線QSPI Flash，此處需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支持串列里，為何不能用？關于這一點痞子衡會在后面雙Flash連接里為大家解釋，

　　第二種Flash連接方式就是利用FlexSPI 1st Option里的7根PORTA信號線和5根PORTB信號線連接八線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連接方式就是利用FlexSPI 2nd Option里的6根PORTA信號線連接四線QSPI Flash，具體接法跟第一種方式很像，但是此處沒有關于片選的疑慮，因為2nd Option只有一個片選，

　　介紹完三種單Flash連接方案，現在來解答一些前面列出的疑問，

解答1：1st Option里一共4根片選信號（SSx）和2根DQS信號并不是隨意組合都可以，無論是四線還是八線單Flash連接方案，均只有PORTA_SS0、PORTA_DQS這一種組合可用，其他組合主要用在雙Flash連接方案中，
解答2：1st Option中僅PORTA可以單獨接四線QSPI Flash，不支持PORTB單獨接四線QSPI Flash，
解答3：不支持從1st和2nd Option里分別挑選資料線來連接Flash（不過就FlexSPI模塊本身而言，理論上是支持的，但這么用的話需要解決資料線信號等長問題，因為這兩個Option的走線長度在芯片內部不一樣，總之不推薦這么用），但是支持1st Option里取信號線，2nd Option里取資料線類似這種組合方式來連接Flash，
解答4：FlexSPI Reset信號是與1st、2nd Option無關的，所以兩個Option下均可以用，不過Reset信號常用于八線Flash，

四、雙Flash連接方式（18種）

　　很多實際系統設計中，常常有既在Flash中存放用戶應用程式，也在Flash中存放用戶資料的場景，當然我們可以將一片Flash分成Code區和Data區來實作，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，這樣可以避免資料誤操作，而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可以繼續從Code Flash取代碼執行或回應中斷，此處我們暫不討論支持RWW特性的Flash，
　　i.MXRT支持掛兩片Flash去啟動，此處僅以兩片四線QSPI Flash為例，下圖給出了多片Flash的連接方式，理論上一個FlexSPI最多可以掛四片Flash，因為最大有4個片選，但僅考慮接兩片Flash的話，1st Option以及2nd Option里所有片選按排列組合來說應該有近30多種組合方式，那么這30多種組合是不是都可行呢？當然不是！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組合中是一定要存在的，因為BootROM上電永遠是從Flash A0中獲取FDCB以及啟動代碼頭（IVT, BootData），所以Flash A0就是Code Flash，

　　分析到了這里，我們就知道如下符合條件的18種包含Flash A0的組合方式，其中標記Code的片選信號應該連接存放應用程式代碼的Code Flash，標記Data的片選信號則連接存放用戶資料的Data Flash：

Note1：如果兩個Flash掛在同一型別PORT上（都是PORTA或都是PORTB），即下面的第1、2、3、10、11、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：如果組合中所有引腳選擇全部在BootROM指定范圍里，那么BootROM直接支持Data Flash的配置，如果有引腳不在BootROM指定范圍，那么需要用戶在Code Flash用代碼去實作Data Flash配置，

　　介紹完18種雙Flash連接方案，現在來解答一些前面列出的疑問，

解答5：可以掛兩片QSPI Flash啟動，一共有18種連接方式，兩片Flash的方案還是不可以實作在Code Flash里原地執行代碼去擦寫Data Flash這種用法，但可以實作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信號可以用于連接Data Flash，但是Data Flash的配置需要由Code Flash里的用戶應用程式代碼來完成，BootROM無法直接配置Data Flash，

五、關于RWW的注意事項

　　現在市面上大部分Flash（尤其是普通四線QSPI）是不支持RWW（Read-While-Write）特性的，就是在單片Flash上無法實作同時讀寫，但如果我們在i.MXRT1015/1020/1050系統設計中采用一片支持RWW特性的Flash或者直接使用兩片Flash，是否可以實作在Code Flash（或RWW Flash中的Code磁區）中原地執行代碼去擦寫Data Flash（或RWW Flash中的Data磁區）這種需求，答案其實還是不可以，這是由FlexSPI模塊本身特性限制的，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，可以這么簡單理解，CPU去Code Flash取程式代碼指令走的是64bit AHB Bus（即AHB command），Code Flash里的程式代碼里呼叫FlexSPI驅動去擦除或編程Data Flash走的是32bit IPS Bus（即IP command），這兩種不同型別的command會經過ARB_CTL模塊去仲裁，同一時間只有一種command勝出成為ARB command去實際操作Flash，

　　那FlexSPI模塊這個限制到底怎么破？有以下四種方式可以來幫忙：

方法1：在MPU里設定Code Flash對應的映射地址區域，使能Cache，并且保證應用程式代碼里呼叫FlexSPI驅動去擦寫Data Flash的關鍵部分（觸發IP CMD執行）始終快取在Cache里，
方法2：將應用程式代碼里呼叫FlexSPI驅動去擦寫Data Flash的關鍵部分搬運到RAM空間去運行，可以直接借助IDE特性去完成（比如IAR，可以用__ramfunc去修飾關鍵函式），
方法3：在寫Data Flash的時候借助DMA來搬運資料，不讓CPU干預，具體可以參考官方《AN12564 Implement RWW on i.MX RT Series》
方法4：應用程式代碼里的FlexSPI驅動直接使用BootROM API（代碼是在ROM空間運行的），

　　這四種方法里首推方法4，既能實作需求，又能省Code Flash空間（FlexSPI驅動代碼說小不小），方法1其實是不推薦的，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

　　最后再說一下，掛兩片Flash（或一片RWW Flash）到底相比掛一片非RWW Flash有什么好處？這就涉及到RWW的核心意義了，其實痞子衡前面已經講過了，雖然不能實作在Code Flash中原地執行擦寫操作相關代碼，但是在Data Flash擦寫等待期間，CPU可以繼續從Code Flash取代碼執行，這意味著此時不需要刻意關閉系統全域中斷，因此不影響系統回應的實時性，

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

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