痞子衡嵌入式：實抓Flash訊號波形來看i.MXRT的FlexSPI外設下AHB讀訪問情形（有預取）

痞子衡發表於2021-05-07
Flex

　　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實抓Flash訊號波形來看i.MXRT的FlexSPI外設下AHB讀訪問情形。

　　上一篇文章 《實抓Flash訊號波形來看i.MXRT的FlexSPI外設下AHB讀訪問情形（無快取）》 裡痞子衡抓取了Cache和Prefetch全部關閉下的AHB讀訪問對應的Flash端時序波形圖，相信大家對最基本的FlexSPI讀訪問支援有了感性認識。根據那篇文章我們知道，沒有快取加持的Flash訪問，效率是相當低的。應用程式中對同一Flash地址空間的重複訪問，FlexSPI底層每次都機械似的再讀一次Flash，這就算了，甚至於程式碼中的大資料塊的Flash讀訪問還會被拆分成多個不高於8byte的小資料塊訪問時序（每個CS有效期間前20個SCK週期都不是資料序列），這實在是浪費了太多時間（SCK週期）。

　　針對這種低效情況，FlexSPI模組中整合了預取（Prefetch）技術，今天痞子衡就來繼續測一測開啟Prefetch功能下的Flash AHB讀訪問情形（注意本文不涉及核心的L1 Cache技術）：

一、FlexSPI的預取功能

　　FlexSPI模組內部一共有4個AHB RX Buffer，總大小是1KB（針對i.MXRT1050而言），使用者可以自由配置這四個Buffer，這些AHB RX Buffer可以特殊指定給具體AHB master，並且還可以配置各自優先順序，具體可以查閱晶片參考手冊FlexSPI章節的 AHB RX Buffer Management 小節。

　　這些AHB RX Buffer就是專門為Prefetch功能準備的，有了AHB RX Buffer，FlexSPI模組就可以在使用者程式程式碼之上做些優化工作。比如程式碼中發生了Flash訪問操作，在一次CS有效週期內FlexSPI直接按相應AHB RX Buffer長度來讀取資料快取下來，而不是按照程式碼中指定的讀取長度，這樣可以大大減少因AHB Burst Read策略導致的CS訊號拆分情況，而且如果下次同一master要取的資料恰好在AHB RX Buffer裡，FlexSPI就不用再重新去Flash裡讀取資料了。

　　Prefetch功能說起來就上面那麼簡單的一段話，但是細細分析這段話，其實還是有如下一些小疑問在裡面的，這些疑問痞子衡將用測試結果來給你解答。

  • 疑問1： 發生預取操作時，AHB RX Buffer是從哪裡開始快取？一定是程式碼裡實際指定的Flash讀取操作起始地址嗎？
  • 疑問2： 一旦發生了預取操作，一定是持續到當前AHB RX Buffer滿才會中止嗎？有沒有被打斷的可能性？

　　關於AHB RX Buffer的配置，有很多種不同的策略，痞子衡今天要測的主要是BootROM裡啟用的一種最簡單直接的策略，即AHB RX Buffer 0 - 2全部關掉，僅啟用AHB RX Buffer 3，總1KB RX Buffer空間全部給這個AHB RX Buffer 3，所有master均通過AHB RX Buffer 3來訪問Flash，且訪問優先順序一致。

二、Prefetch實驗準備

　　參考文章 《實抓Flash訊號波形來看i.MXRT的FlexSPI外設下AHB讀訪問情形（無快取）》 裡的第一小節 實驗準備，本次實驗需要做一樣的準備工作。

三、Prefetch實驗程式碼

　　參考文章 《實抓Flash訊號波形來看i.MXRT的FlexSPI外設下AHB讀訪問情形（無快取）》 裡的第二小節 實驗程式碼，本次實驗程式碼關於工程和連結檔案方面是一樣的設定，但是具體測試函式改成如下ramfunc型函式 test_prefetch_read()。關於Prefetch這次會有很多種不同測試，while(1)語句前的系統配置保持不變，while(1)裡面的語句可根據實際測試情況去調整：

#if (defined(__ICCARM__))
#pragma optimize = none
__ramfunc 
#endif
void test_prefetch_read(void)
{
    // 系統配置
    /* Disable L1 I-Cache*/
    SCB_DisableICache();

    /* Disable L1 D-Cache*/
    SCB_DisableDCache();

    /* Enable FlexSPI AHB read prefetch */
    FLEXSPI->AHBCR |= (FLEXSPI_AHBCR_PREFETCHEN_MASK | FLEXSPI_AHBCR_CACHABLEEN_MASK);
    for (uint32_t index = 0; index < FLEXSPI_AHBRXBUFCR0_COUNT; index++)
    {
        FLEXSPI->AHBRXBUFCR0[index] &= ~(FLEXSPI_AHBRXBUFCR0_BUFSZ_MASK | FLEXSPI_AHBRXBUFCR0_MSTRID_MASK | FLEXSPI_AHBRXBUFCR0_PRIORITY_MASK);
    }

    while (1)
    {
        // 測試用例程式碼，可按情況調整
    } 
}

四、Prefetch實驗結果

4.1 迴圈讀取同一資料塊（1KB以內）

　　本系列測試用例沿用上一篇文章中特殊const資料區.ahbRdBuffer設定，0x60002400 - 0x600027ff 空間的前16位元組是指定的，後面區域就由IDE自由連結應用程式程式碼資料，我們暫不需要在IO[1:0]訊號上具體觀察這個區域的資料：

const uint8_t ahbRdBlock[16] @ ".ahbRdBuffer" = {
    0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x10, 0x11, 0x12, 0x13,
    0x20, 0x21, 0x22, 0x23, 0x30, 0x31, 0x32, 0x33,
};
// 在工程連結檔案中
keep{ section .ahbRdBuffer };
place at address mem:0x60002400 { readonly section .ahbRdBuffer };
4.1.1 訪問首地址按八位元組對齊

　　先來看最典型的測試，從八位元組對齊地址 PREFETCH_TEST_START 處讀取 testLen 長度的資料，該函式裡第一次memcpy語句的執行便會觸發Prefetch機制，當 testLen 不大於 PREFETCH_TEST_MAX_LEN（1KB） 時，Flash端時序波形圖都是同一個，即僅產生一次CS低有效週期（後續迴圈執行均從AHB RX Buffer直接取資料了），低有效持續時間約為65.2us，按SCK週期31.6ns來算，一共有2068個SCK週期，減去讀時序裡固定前20個命令地址週期，剩2048個資料SCK週期（一個SCK週期傳輸4bit資料），即讀取1KB資料：

#define PREFETCH_TEST_ALIGNMENT  (0) // 可取值 8*n
#define PREFETCH_TEST_START      (0x60002400 + PREFETCH_TEST_ALIGNMENT)
#define PREFETCH_TEST_MAX_LEN    (0x400)
uint32_t testLen = 0x1;  // 可取值 1 - 0x400
void test_prefetch_read(void)
{
    // 略去系統配置
    testLen = (testLen > PREFETCH_TEST_MAX_LEN) ? PREFETCH_TEST_MAX_LEN : testLen;
    while (1)
    {
        memcpy((void *)0x20200000, (void *)PREFETCH_TEST_START, testLen);
    } 
}

4.1.2 訪問首地址非八位元組對齊，長度小於1KB - 對齊位元組

　　第二個測試是 PREFETCH_TEST_START 地址並非八位元組對齊，這種情況下如果 testLen 不大於1KB - PREFETCH_TEST_ALIGNMENT，那麼Flash端時序波形圖還是同一個，並且跟上一種測試情況結果是一樣的，均是讀取1KB資料。放大初始時序圖來看，程式碼中實際Flash讀取起始地址是0x60002407，但是FlexSPI的Prefetch機制會將其按八位元組向前對齊到0x60002400來讀取（實際傳輸時序裡是0x002400三位元組地址，輸出資料是0x00、0x01、0x02...），這也意味著AHB RX Buffer儲存的資料永遠是從八位元組地址對齊處開始的（回答了第一節裡的疑問1）。

#define PREFETCH_TEST_ALIGNMENT  (7) // 可取值 1 - 7
#define PREFETCH_TEST_START      (0x60002400 + PREFETCH_TEST_ALIGNMENT)
#define PREFETCH_TEST_MAX_LEN    (0x400 - PREFETCH_TEST_ALIGNMENT)
uint32_t testLen = 0x1;  // 可取值 1 - PREFETCH_TEST_MAX_LEN
void test_prefetch_read(void)
{
    // 略去系統配置
    testLen = (testLen > PREFETCH_TEST_MAX_LEN) ? PREFETCH_TEST_MAX_LEN : testLen;
    while (1)
    {
        memcpy((void *)0x20200000, (void *)PREFETCH_TEST_START, testLen);
    } 
}

4.2 迴圈讀取同一資料塊（大於1KB）

　　為了便於分辨IO[1:0]上的資料去幫助分析本系列測試用例結果，此處我們需要擴充下特殊const資料區.ahbRdBuffer設定如下：

const uint8_t ahbRdBlock1[1024] @ ".ahbRdBuffer1" = {
    // 正順序
    0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x10, 0x11, 0x12, 0x13,
    0x20, 0x21, 0x22, 0x23, 0x30, 0x31, 0x32, 0x33,
    // 倒順序
    0x33, 0x32, 0x31, 0x30, 0x23, 0x22, 0x21, 0x20,
    0x13, 0x12, 0x11, 0x10, 0x03, 0x02, 0x01, 0x00,
};
const uint8_t ahbRdBlock2[1024] @ ".ahbRdBuffer2" = {
    // 正插序
    0x01, 0x00, 0x03, 0x02, 0x11, 0x10, 0x13, 0x12, 
    0x21, 0x20, 0x23, 0x22, 0x31, 0x30, 0x33, 0x32, 
    // 倒插序
    0x32, 0x33, 0x30, 0x31, 0x22, 0x23, 0x20, 0x21, 
    0x12, 0x13, 0x10, 0x11, 0x02, 0x03, 0x00, 0x01, 
};
// 在工程連結檔案中
keep{ section .ahbRdBuffer1, section .ahbRdBuffer2 };
place at address mem:0x60002400 { readonly section .ahbRdBuffer1 };
place at address mem:0x60002800 { readonly section .ahbRdBuffer2 };
4.2.1 訪問首地址按八位元組對齊

　　第三個測試是從八位元組對齊地址 PREFETCH_TEST_START 處讀取 testLen 長度的資料，testLen大於1KB，這種情況下我們在Flash端看到了週期性的波形圖，這說明1KB的AHB RX Buffer不足以快取此時程式碼裡的資料訪問需求，因此AHB RX Buffer被不斷地清除和重新快取。放大時序圖來看，一個完整週期內，第一個CS有效期間讀取了0x60002400開始的1KB資料，第二個CS有效期間讀取了0x60002800開始的15個位元組資料（總有效時間1.55us），痞子衡知道你肯定覺得奇怪，測試testLen設的是0x401，為何第二個CS期間Prefetch機制快取的是15個位元組？既不是1KB，也不是1byte。這其實是因為第二次CS有效期間的Prefetch操作被下一次while(1)回來的資料訪問需求打斷了，所以這意味著一旦Prefetch操作被使能，Prefetch機制會嘗試快取到填滿AHB RX Buffer，但如果在Buffer滿之前有全新的資料訪問需求發生，當前Prefetch操作會被中止，Buffer清空，重新開始下一次Prefetch操作（這裡回答了第一節裡的疑問2）。

#define PREFETCH_TEST_ALIGNMENT  (0) // 可取值 8*n
#define PREFETCH_TEST_START      (0x60002400 + PREFETCH_TEST_ALIGNMENT)
#define PREFETCH_TEST_MIN_LEN    (0x400)
uint32_t testLen = 0x401;  // 可取值 0x401 - 0x800
void test_prefetch_read(void)
{
    // 略去系統配置
    testLen = (testLen <= PREFETCH_TEST_MIN_LEN) ? (PREFETCH_TEST_MIN_LEN + testLen) : testLen;
    while (1)
    {
        memcpy((void *)0x20200000, (void *)PREFETCH_TEST_START, testLen);
    } 
}

　　基於上面的分析，我們追加一個實驗，在memcpy語句後面加一點軟延時，保證第二次CS有效期間Prefetch操作有足夠的時間去將AHB RX Buffer填滿，我們知道1KB的Flash資料讀取約耗時65.2us，我們就延時70us以上試試看，果然這次看到第二個CS也同樣持續了65.2us。

void test_prefetch_read(void)
{
    // 略去系統配置
    while (1)
    {
        memcpy((void *)0x20200000, (void *)0x60002400, 0x401);
        SDK_DelayAtLeastUs(70, SystemCoreClock);
    } 
}

4.2.2 訪問首地址非八位元組對齊

　　第四個測試是從非八位元組對齊地址處讀取超過 1KB 長度的資料，結合4.1節的測試結果，我們可以將程式碼中的實際語句 memcpy((void *)0x20200001, (void *)0x60002401, 0x401); 做等效轉換為 memcpy((void *)0x20200000, (void *)0x60002400, 0x402);，這裡就不多貼結果圖了。

void test_prefetch_read(void)
{
    // 略去系統配置
    while (1)
    {
        memcpy((void *)0x20200001, (void *)0x60002401, 0x401);
        // 從Flash端訊號傳輸來看，幾乎等效於如下語句
        //memcpy((void *)0x20200000, (void *)0x60002400, 0x402);
    } 
}

4.3 迴圈讀取兩個不同資料塊（1KB以內）

　　最後一個實驗是迴圈讀取兩個不連續資料塊，有了前面的測試結果，這個測試的結果也在意料之中了，每個CS持續時間約17us（大約537個SCK週期），實際傳輸略多於256個byte的資料，這也是符合Prefetch操作會被中止的分析的。如果想看到完整的1KB快取，memcpy後需要插入至少48.2us以上的軟延時。

void test_prefetch_read(void)
{
    // 略去系統配置
    while (1)
    {
        memcpy((void *)0x20200000, (void *)0x60002400, 0x100);
        memcpy((void *)0x20200400, (void *)0x60002800, 0x100);
    } 
}

　　至此，實抓Flash訊號波形來看i.MXRT的FlexSPI外設下AHB讀訪問情形痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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