串行NOR Flash執(zhí)行性能的究極模式 - QPI/OPI
大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是在FDCB里使能串行NOR Flash的QPI/OPI模式。
我們知道 Flash 讀時(shí)序里有五大子序列 CMD + ADDR + MODE + DUMMY + READ，前面的文章中痞子衡講過(guò)《串行NOR Flash的Continuous read模式》，Continuous read 模式是為了在適當(dāng)?shù)那闆r下精簡(jiǎn)掉連續(xù)讀訪問(wèn)里的后續(xù) CMD 子序列，它可以進(jìn)一步提高 Flash 訪問(wèn)性能，這已經(jīng)是極限了嗎？其實(shí)沒(méi)有，還差最后一招，那就是痞子衡今天要講的 QPI/OPI 模式。
一、什么是QPI/OPI模式？
截至到目前為止，不管是四線 Flash 還是 八線 Flash，痞子衡講的所有 Flash 傳輸時(shí)序中的 CMD 子序列都是以 1 線形式發(fā)送的（即只通過(guò) IO0 來(lái)發(fā)送），我想你肯定也曾經(jīng)覺(jué)得奇怪過(guò)，為何其他子序列都有 1/2/4/8 線模式可選，偏偏這個(gè) CMD 子序列總是 1 線模式？其實(shí)這也不能怨 CMD，畢竟所有的 Flash 傳輸時(shí)序都從 CMD 子序列開(kāi)始的，后續(xù)子序列的 Pad 模式都是靠 CMD 命令碼來(lái)區(qū)分的，為了保證 CMD 值能被正確獲取，只能犧牲 CMD 序列的靈活性，就固定以 1 線形式發(fā)送，這也就是所謂的 SPI 模式。
為了不讓 CMD 子序列太委屈，F(xiàn)lash 廠商也為了它單獨(dú)做了設(shè)計(jì)，四線 Flash 可以切換到 4 線模式來(lái)發(fā)送 CMD 子序列（即 QPI 模式），八線 Flash 可以切換到 8 線模式來(lái)發(fā)送 CMD 子序列（即 OPI 模式），默認(rèn)上電是 SPI 模式，然后在 SPI 模式下做指定設(shè)置可以切換到 QPI/OPI 模式，在 QPI/OPI 模式下做指定設(shè)置或者復(fù)位也能再回到 SPI 模式。
1.1 四線Flash的QPI模式
下面是一款典型的四線 Flash（芯成 IS25WP128） 在 QPI 模式下的 Fast Read Quad I/O 傳輸時(shí)序，此時(shí) CMD 子序列僅在 2 個(gè) CLK 內(nèi)就完成了傳輸，因?yàn)?IO[3:0] 均參與了 CMD 發(fā)送，效率是 SPI 模式下的 4 倍。后面的子序列與 SPI 模式下一模一樣。
1.2 八線Flash的OPI模式
下面是一款典型的八線 Flash（旺宏 MX25UM51345） 在 OPI 模式下的 OCTA Read 傳輸時(shí)序，此時(shí) CMD 子序列僅在 1 個(gè) CLK 內(nèi)就完成了傳輸，因?yàn)?SIO[7:0] 均參與了 CMD 發(fā)送，效率是 SPI 模式下的 8 倍。后面的子序列與 SPI 模式下一模一樣。
二、不同F(xiàn)lash廠商關(guān)于QPI/OPI切換設(shè)計(jì)
現(xiàn)在跟著痞子衡去看幾家主流Flash廠商關(guān)于 QPI/OPI 模式切換的設(shè)計(jì)（如果你想快速確認(rèn)某一款型號(hào)Flash是否支持這個(gè)特性，找到其數(shù)據(jù)手冊(cè)搜索"QPI/OPI"看有沒(méi)有結(jié)果）：
2.1 四線 Flash 上切換設(shè)計(jì)
QPI 模式是四線 Flash 上一個(gè)性能模式特性，并不是所有 Flash 都支持這個(gè)特性。而對(duì)于支持 QPI 模式的 Flash，不同廠商的切換設(shè)計(jì)也不太相同，不過(guò)大部分廠商都是選擇發(fā)一個(gè) CMD 命令時(shí)序來(lái)切換，比如芯成 IS25WP128 就是如下的時(shí)序進(jìn)入和退出 QPI 模式：
痞子衡找了幾家市面上比較常見(jiàn)的四線 Flash，并整理了它們進(jìn)出 QPI 模式命令碼如下：
| Flash型號(hào) | 進(jìn)入QPI模式命令碼 | 退出QPI模式命令碼 |
|---|---|---|
| Adesto AT25SL系列 | 0x38 | 0xFF |
| 芯成IS25WP系列 | 0x35 | 0xF5 |
| 華邦W25QxxJV-DTR系列 | 0x38 | 0xFF |
| 兆易創(chuàng)新GD25Q系列 | 不支持 | 不支持 |
當(dāng)然也有一些廠商不是發(fā)一個(gè) CMD 命令時(shí)序來(lái)切換的設(shè)計(jì)，而是通過(guò)設(shè)置 Flash 內(nèi)部寄存器的方式來(lái)做切換，比如賽普拉斯 S25FS-S 系列就是設(shè)置如下的寄存器來(lái)進(jìn)入和退出 QPI 模式：
2.2 八線 Flash 上切換設(shè)計(jì)
對(duì)于八線 Flash，即使 OPI 模式也算性能模式特性，但是基本上所有 Flash 都能支持這個(gè)特性（畢竟目前生產(chǎn) 8 線 Flash 的廠商并不多）。這些廠商都是提供設(shè)置 Flash 內(nèi)部寄存器的方式來(lái)做切換：
如下是旺宏 MX25UM51345 切換 OPI 模式的寄存器定義：
如下是鎂光 MT35X 系列切換 OPI 模式（即 Octal 模式）的寄存器定義：
三、在i.MXRT1170-EVK上實(shí)戰(zhàn)（IS25WP128）
了解了上面關(guān)于 QPI/OPI 模式知識(shí)后，我們?cè)诙髦瞧?i.MXRT1170-EVK 板子上實(shí)踐一下。默認(rèn)連接的 Flash 是IS25WP128，這款 Flash 是支持 QPI 模式的，我們隨便在SDK包里找一個(gè) XIP 例程，修改工程里 evkmimxrt1170_flexspi_nor_config.c 文件里的 FDCB 啟動(dòng)頭如下，改完下載程序進(jìn) Flash 運(yùn)行，代碼執(zhí)行效率應(yīng)該會(huì)有所提升。
#define CMD_LUT_SEQ_IDX_ENTER_QPI 7 const flexspi_nor_config_t qspiflash_config = { .memConfig = { // ... 默認(rèn)設(shè)置省略 // 使能 QPI 配置操作 .deviceModeCfgEnable = 1u, .deviceModeType = kDeviceConfigCmdType_Spi2Xpi, .waitTimeCfgCommands = 1, .deviceModeSeq = { .seqNum = 1, .seqId = CMD_LUT_SEQ_IDX_ENTER_QPI, .reserved = 0, }, .deviceModeArg = 0, .lookupTable = { // Fast Read Quad I/O LUTs （將 CMD_SDR 的 Pad 模式由 FLEXSPI_1PAD 改為 FLEXSPI_4PAD） [0] = FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR, FLEXSPI_4PAD, 0xEB, RADDR_SDR, FLEXSPI_4PAD, 0x18), [1] = FLEXSPI_LUT_SEQ(MODE8_SDR, FLEXSPI_4PAD, 0x00, DUMMY_SDR, FLEXSPI_4PAD, 0x04), [2] = FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_SDR, FLEXSPI_4PAD, 0x04, 0, 0, 0), // 增加 Enter QPI 命令序列 [4*CMD_LUT_SEQ_IDX_ENTER_QPI] = FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0x35, 0, 0, 0), }, }, // ... 默認(rèn)設(shè)置省略 };
關(guān)于 OPI 模式使能的例子可以直接參考 MIMXRT500/600 SDK，因?yàn)槠渑涮?EVK 使用的是旺宏 MX25UM51345，所以官方 SDK 里啟動(dòng)頭 FDCB 都是包含開(kāi)啟 OPI 模式的配置代碼的。
和使能 Continuous read 模式一樣，使能 QPI/OPI 模式后，對(duì)項(xiàng)目最大的影響是考慮軟復(fù)位后芯片再次啟動(dòng)的問(wèn)題，具體可以參考痞子衡的舊文 《深扒i.MXRT系列ROM中集成的串行NOR Flash啟動(dòng)SW Reset功能及其應(yīng)用場(chǎng)合》。
至此，在FDCB里使能串行NOR Flash的QPI/OPI模式痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~
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