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

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　　你们好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给你们介绍的是恩智浦i.MX RT1015/1020/1050三款MCU的FlexSPI NOR启动的链接方式。

　　因为i.MXRT内部没有非易失性存储器，所以在系统设计时为i.MXRT搭配一块存放应用程序代码的存储器是头等大事。i.MXRT支持启动的外部存储器类型众多，其中经过FlexSPI接口链接串行NOR Flash是首选。
　　就i.MXRT芯片引脚自己来讲，其FlexSPI模块支持的Pinmux选择较多，这在芯片参考手册Chip IO一章能够找到具体信息。可是并非全部FlexSPI Pinmux组合都能被用来链接串行NOR Flash去启动。
　　i.MXRT1050/1020/1015是i.MXRT系列MCU家族比较早亮相的型号，也是客户当前使用较多的i.MXRT芯片。它们三兄弟内部均只有一个双通道8bit的FlexSPI模块，在FlexSPI NOR启动链接方式支持上是类似的。今天痞子衡就来跟你们好好聊一聊到底哪些FlexSPI NOR链接方式是能够用做启动的。

1、FlexSPI链接模式

　　在讲启动链接以前，首先跟你们简单聊一下FlexSPI模块的链接模式。从手册里看，FlexSPI一共有三种链接模式：

Individual mode：以下图左边Flash A1+A2+B1+B2，它们分时复用FlexSPI，同一时刻仅有一个四线QSPI Flash被操做（仅一个PORT有数据收发）。
Parallel mode：以下图左边Flash A1+B1或Flash A2+B2，同一时刻两个四线QSPI Flash能够一块儿被操做（两个PORT都有数据收发），FlexSPI会自动合并/拆分数据(read/program)到两个PORT。
Combination mode：以下图右边Flash A1或A2，这是FlexSPI接八线Octal/Hyper Flash的方法。

2、涉及FlexSPI引脚

　　说起启动，就不得不提i.MXRT芯片内部BootROM，BootROM是固化在芯片内部ROM空间的一段代码，芯片上电永远是BootROM先运行，由BootROM从外部存储器去加载应用程序执行。所以FlexSPI NOR链接方式实际上是由BootROM决定的，更直白点说，其实FlexSPI NOR链接方式是写死在BootROM代码里。

2.1 BootROM指定

　　咱们能够在芯片参考手册System Boot这一章节找到BootROM指定的FlexSPI NOR引脚，痞子衡整理以下：

　　下表适用于i.MXRT105x（适用全系列封装）：

　　下表适用于i.MXRT102x和i.MXRT1015（对于LQFP144封装，全部引脚均适用。对于LQFP100封装，只有1st Option里ALT为1的12根线可用）：

　　上面的表格基本上已经给咱们指明了方向，目前咱们知道了哪些Pin能够用做FlexSPI NOR启动链接，可是彷佛仍是有一些不清楚的地方：

疑问1：1st Option里一共有4根片选信号（SSx）和2根DQS信号，而Flash只须要一个片选和一个DQS，是否是全部片选+DQS组合均可以？
疑问2：1st Option里一共8根数据线，除了链接八线Octal/Hyper Flash以外，是否能够单连四线QSPI Flash？PortA和PortB是否是均可以连QSPI Flash？
疑问3：是否能够从1st和2nd Option里分别挑选信号线和数据线来链接Flash？好比1st Option里的PortA_DATA[1:0]和2nd Option里的PORTA_DATA[3:2]组成四线。
疑问4：那根FlexSPI Reset信号对于1st和2nd Option是否是都适用？
疑问5：是否能够挂两片QSPI Flash启动？具体怎么挂？两片Flash可否实如今一片Flash中执行代码去擦写另外一片Flash？
疑问6：2nd Option里只有PortA和一根片选，但RT1050 Pinmux表里其也支持PortB和其余片选，那些信号线后续是否能够利用？

　　在后面的内容里，痞子衡会逐一为你们解析这些疑问。

2.2 BootROM未指定

　　在此也列出不在BootROM指定的FlelxSPI NOR引脚，方便后续设计双Flash时参考。

　　下表适用于i.MXRT105x（适用全系列封装）：

　　下表适用于i.MXRT102x和i.MXRT1015（适用全系列封装）：

3、单Flash链接方式（3种）

　　在系统设计时使用一片Flash是最经常使用的状况，这片Flash负责存放应用程序代码（即所谓的Code Flash），i.MXRT既能够在Flash中原地执行，也能够将应用程序拷贝到内部RAM中执行。
　　相信你们作板级设计必定会参考官方EVK，在RT1050-EVKB中，官方给出了以下两种单Flash的链接方式，这也是最推荐的两种方式：
　　第一种Flash链接方式就是利用FlexSPI 1st Option里的6根PORTA信号线链接四线QSPI Flash，此处须要注意的是片选信号仅能选PORTA_SS0，你可能会疑问PORTA_SS1明明也在BootROM支持列表里，为什么不能用？关于这一点痞子衡会在后面双Flash链接里为你们解释。

　　第二种Flash链接方式就是利用FlexSPI 1st Option里的7根PORTA信号线和5根PORTB信号线链接八线Octal/Hyper Flash，此处仍需注意的是片选和DQS信号仅能选PORTA_SS0、PORTA_DQS。此种Flash接法还利用了FlexSPI Reset信号。

　　第三种Flash链接方式就是利用FlexSPI 2nd Option里的6根PORTA信号线链接四线QSPI Flash，具体接法跟第一种方式很像，可是此处没有关于片选的疑虑，由于2nd Option只有一个片选。

　　介绍完三种单Flash链接方案，如今来解答一些前面列出的疑问。

解答1：1st Option里一共4根片选信号（SSx）和2根DQS信号并非随意组合均可以，不管是四线仍是八线单Flash链接方案，均只有PORTA_SS0、PORTA_DQS这一种组合可用。其余组合主要用在双Flash链接方案中。
解答2：1st Option中仅PORTA能够单独接四线QSPI Flash，不支持PORTB单独接四线QSPI Flash。
解答3：不支持从1st和2nd Option里分别挑选数据线来链接Flash（不过就FlexSPI模块自己而言，理论上是支持的，但这么用的话须要解决数据线信号等长问题，由于这两个Option的走线长度在芯片内部不同，总之不推荐这么用）。可是支持1st Option里取信号线，2nd Option里取数据线相似这种组合方式来链接Flash。
解答4：FlexSPI Reset信号是与1st、2nd Option无关的，因此两个Option下都可以用，不过Reset信号经常使用于八线Flash。

4、双Flash链接方式（18种）

　　不少实际系统设计中，经常有既在Flash中存放用户应用程序，也在Flash中存放用户数据的场景，固然咱们能够将一片Flash分红Code区和Data区来实现，但更好的方案是选用两片Flash（一片Code Flash、一片Data Flash）同时挂在FlexSPI上，这样能够避免数据误操做，并且最重要的是在擦除或者编程Data Flash的等待期间（这个时间可不短），CPU能够继续从Code Flash取代码执行或响应中断。此处咱们暂不讨论支持RWW特性的Flash。
　　i.MXRT支持挂两片Flash去启动，此处仅以两片四线QSPI Flash为例。下图给出了多片Flash的链接方式，理论上一个FlexSPI最多能够挂四片Flash，由于最大有4个片选。但仅考虑接两片Flash的话，1st Option以及2nd Option里全部片选按排列组合来讲应该有近30多种组合方式，那么这30多种组合是否是均可行呢？固然不是！要在这些组合中剔除掉不包含1st A_SS0或者2nd A_SS0的组合。即下图中标浅绿色的Flash A0在双Flash组合中是必定要存在的，由于BootROM上电永远是从Flash A0中获取FDCB以及启动代码头（IVT, BootData），因此Flash A0就是Code Flash。

　　分析到了这里，咱们就知道以下符合条件的18种包含Flash A0的组合方式，其中标记Code的片选信号应该链接存放应用程序代码的Code Flash，标记Data的片选信号则链接存放用户数据的Data Flash：

Note1：若是两个Flash挂在同一类型PORT上（都是PORTA或都是PORTB），即下面的第一、二、三、十、十一、12种组合时，这两片Flash最好是同一个型号，这样电气特性容易保持一致。
Note2：若是组合中全部引脚选择所有在BootROM指定范围里，那么BootROM直接支持Data Flash的配置。若是有引脚不在BootROM指定范围，那么须要用户在Code Flash用代码去实现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
					不适用LQFP100					不适用LQFP100		不适用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	✔		✔

　　介绍完18种双Flash链接方案，如今来解答一些前面列出的疑问。

解答5：能够挂两片QSPI Flash启动，一共有18种链接方式。两片Flash的方案仍是不能够实如今Code Flash里原地执行代码去擦写Data Flash这种用法，但能够实现RWW的核心意义，下一节会单独展开讲这个。
解答6：不在BootROM指定的2nd Option PortB信号能够用于链接Data Flash，可是Data Flash的配置须要由Code Flash里的用户应用程序代码来完成，BootROM没法直接配置Data Flash。

5、关于RWW的注意事项

　　如今市面上大部分Flash（尤为是普通四线QSPI）是不支持RWW（Read-While-Write）特性的，就是在单片Flash上没法实现同时读写。但若是咱们在i.MXRT1015/1020/1050系统设计中采用一片支持RWW特性的Flash或者直接使用两片Flash，是否能够实如今Code Flash（或RWW Flash中的Code分区）中原地执行代码去擦写Data Flash（或RWW Flash中的Data分区）这种需求。答案其实仍是不能够，这是由FlexSPI模块自己特性限制的，这个特性就是同一个FlexSPI模块下的AHB command和IP command是互斥的。

5.1 FlexSPI异类命令互斥特性

　　下图是FlexSPI模块框图，能够这么简单理解，CPU去Code Flash取程序代码指令走的是64bit AHB Bus（即AHB command），Code Flash里的程序代码里调用FlexSPI驱动去擦除或编程Data Flash走的是32bit IPS Bus（即IP command），这两种不一样类型的command会通过ARB_CTL模块去仲裁，同一时间只有一种command胜出成为ARB command去实际操做Flash。

　　那FlexSPI模块这个限制到底怎么破？有如下四种方式能够来帮忙：

方法1：在MPU里设置Code Flash对应的映射地址区域，使能Cache，而且保证应用程序代码里调用FlexSPI驱动去擦写Data Flash的关键部分（触发IP CMD执行）始终缓存在Cache里。
方法2：将应用程序代码里调用FlexSPI驱动去擦写Data Flash的关键部分搬运到RAM空间去运行，能够直接借助IDE特性去完成（好比IAR，能够用__ramfunc去修饰关键函数）。
方法3：在写Data Flash的时候借助DMA来搬运数据，不让CPU干预，具体能够参考官方《AN12564 Implement RWW on i.MX RT Series》
方法4：应用程序代码里的FlexSPI驱动直接使用BootROM API（代码是在ROM空间运行的）。

　　这四种方法里首推方法4，既能实现需求，又能省Code Flash空间（FlexSPI驱动代码说小不小）。方法1实际上是不推荐的，毕竟Cache是种玄学，岂是你想控制就控制的。

5.2 RWW的核心意义

　　最后再说一下，挂两片Flash（或一片RWW Flash）到底相比挂一片非RWW Flash有什么好处？这就涉及到RWW的核心意义了，其实痞子衡前面已经讲过了，虽然不能实如今Code Flash中原地执行擦写操做相关代码，可是在Data Flash擦写等待期间，CPU能够继续从Code Flash取代码执行，这意味着此时不须要刻意关闭系统全局中断，所以不影响系统响应的实时性。

　　至此，恩智浦i.MX RT1015/1020/1050三款MCU的FlexSPI NOR启动的链接方式痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~

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