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

---

　　大家好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家介绍的是恩智浦i.MX RT1015/1020/1050三款MCU的FlexSPI NOR启动的连接方式。

　　由于i.MXRT内部没有非易失性存储器，因此在系统设计时为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，其中通过FlexSPI接口连接串行NOR Flash是首选。
　　就i.MXRT芯片引脚本身来说，其FlexSPI模块支持的Pinmux选择较多，这在芯片参考手册Chip IO一章可以找到具体信息。但是并不是所有FlexSPI Pinmux组合都能被用来连接串行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启动连接方式支持上是相似的。今天痞子衡就来跟大家好好聊一聊到底哪些FlexSPI NOR连接方式是可以用作启动的。

一、涉及FlexSPI引脚

　　提及启动，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。因此FlexSPI NOR连接方式其实是由BootROM决定的，更直白点说，其实FlexSPI NOR连接方式是写死在BootROM代码里。
　　我们可以在芯片参考手册System Boot这一章节找到BootROM指定的FlexSPI NOR引脚，痞子衡整理如下：

　　下表适用于i.MXRT105x：

　　下表适用于i.MXRT102x和i.MXRT1015：

　　上面的表格基本上已经给我们指明了方向，目前我们知道了哪些Pin可以用作FlexSPI NOR启动连接，但是似乎还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只需要一个片选和一个DQS，是不是所有片选+DQS组合都可以？
疑问2：1st Option里一共8根数据线，除了连接八线Octal/Hyper Flash之外，是否可以单连四线QSPI Flash？PortA和PortB是不是都可以连QSPI Flash？
疑问3：是否可以从1st和2nd Option里分别挑选信号线和数据线来连接Flash？比如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是不是都适用？
疑问5：是否可以挂两片QSPI Flash启动？具体怎么挂？两片Flash能否实现在一片Flash中执行代码去擦写另一片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和其他三根片选，那些信号线后续是否可以利用？

　　在下面文章的内容里，痞子衡会逐一为大家解析这些疑问：

二、单Flash连接方式（3种）

　　在系统设计时使用一片Flash是最常用的情况，这片Flash负责存放应用程序代码（即所谓的Code Flash），i.MXRT既可以在Flash中原地执行，也可以将应用程序拷贝到内部RAM中执行。
　　相信大家做板级设计一定会参考官方EVK，在RT1050-EVKB中，官方给出了如下两种单Flash的连接方式，这也是最推荐的两种方式：
　　第一种Flash连接方式就是利用FlexSPI 1st Option里的6根PORTA信号线连接四线QSPI Flash，此处需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，为何不能用？关于这一点痞子衡会在后面双Flash连接里为大家解释。

　　第二种Flash连接方式就是利用FlexSPI 1st Option里的7根PORTA信号线和5根PORTB信号线连接八线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连接方式就是利用FlexSPI 2nd Option里的6根PORTA信号线连接四线QSPI Flash，具体接法跟第一种方式很像，但是此处没有关于片选的疑虑，因为2nd Option只有一个片选。

　　介绍完三种单Flash连接方案，现在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信号并不是随意组合都可以，无论是四线还是八线单Flash连接方案，均只有PORTA_SS0、PORTA_DQS这一种组合可用。其他组合主要用在双Flash连接方案中。
解答2：1st Option中仅PORTA可以单独接四线QSPI Flash，不支持PORTB单独接四线QSPI Flash。
解答3：不支持从1st和2nd Option里分别挑选信号线和数据线来连接Flash。不过就FlexSPI模块本身而言，理论上是支持的，但这么用的话需要解决信号线等长问题，因为这两个Option的走线长度在芯片内部不一样。总之不推荐这么用。
解答4：FlexSPI Reset信号是与1st、2nd Option无关的，所以两个Option下均可以用，不过Reset信号常用于八线Flash。

三、双Flash连接方式（14种）

　　很多实际系统设计中，常常有既在Flash中存放用户应用程序，也在Flash中存放用户数据的场景，当然我们可以将一片Flash分成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，这样可以避免数据误操作，而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可以继续从Code Flash取代码执行或响应中断。此处我们暂不讨论支持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的连接方式，理论上一个FlexSPI最多可以挂四片Flash，因为最大有4个片选。但仅考虑接两片Flash的话，1st Option以及2nd Option里一共8个片选，按排列组合来说应该有 C(8,2) = 28种组合方式，但要考虑如下异常：

异常1：1st A_SS0-2nd A_SS0、1st A_SS1-2nd A_SS1、1st B_SS0-2nd B_SS0、1st B_SS1-2nd B_SS1互联这4种情况需排除
异常2：1st A_SS0-2nd A_SS1、1st A_SS1-2nd A_SS0、1st B_SS0-2nd B_SS1、1st B_SS1-2nd B_SS0连接这四种情况，DATA线有两种选择，所以要增加4种组合

　　考虑进上述异常情况后，还是存在28种连接组合，那么这28种组合是不是都可行呢？当然不是！要在这28种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组合中是一定要存在的，因为BootROM上电永远是从Flash A0中获取FDCB以及启动代码头（IVT, BootData），所以Flash A0就是Code Flash。

　　分析到了这里，我们就知道如下符合条件的14种包含Flash A0的组合方式，其中标记Code的片选信号应该连接存放应用程序代码的Code Flash，标记Data的片选信号则连接存放用户数据的Data Flash：

Note：有一个地方要注意，如果两个Flash挂在同一类型PORT上（都是PORTA或都是PORTB），即下面的第1、4、5、8、9、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。

Num	FlexSPI 1st Option						FlexSPI 2nd Option						Comments
	A_SS0	A_SS1	A_DATA[3:0] A_SCLK	B_SS0	B_SS1	B_DATA[3:0] B_SCLK	A_SS0	A_SS1	A_DATA[3:0] A_SCLK	B_SS0	B_SS1	B_DATA[3:0] B_SCLK
1	✔ Code	✔ Data	✔										BootROM直接支持 Data Flash的配置
2	✔ Code		✔	✔ Data		✔
3	✔ Code		✔		✔ Data	✔
4		✔ Data					✔ Code		✔
5		✔ Data	✔				✔ Code		✔
6				✔ Data		✔	✔ Code		✔
7					✔ Data	✔	✔ Code		✔
8	✔ Code		✔					✔ Data					仅适用RT1050 用户实现Data Flash配置
9	✔ Code		✔					✔ Data	✔
10	✔ Code		✔							✔ Data		✔
11	✔ Code		✔								✔ Data	✔
12							✔ Code	✔ Data	✔
13							✔ Code		✔	✔ Data		✔
14							✔ Code		✔		✔ Data	✔

　　介绍完14种双Flash连接方案，现在来解答一些前面列出的疑问。

解答5：可以挂两片QSPI Flash启动，一共有14种连接方式。两片Flash还是不可以在Code Flash里原地执行代码去擦写Data Flash，但可以实现RWW，下一节会单独展开讲这个。
解答6：不在BootROM指定的2nd Option PortB信号可以用于连接Data Flash，但是Data Flash的配置需要由Code Flash里的用户应用程序代码来完成，BootROM无法直接配置Data Flash。

四、关于RWW的注意事项

　　现在市面上大部分Flash（尤其是普通四线QSPI）是不支持RWW（Read-While-Write）特性的，就是在单片Flash上无法实现同时读写。但如果我们在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，是否可以实现一边在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。答案其实还是不可以，这是由FlexSPI模块本身特性限制的，这个特性就是同一个FlexSPI模块下的AHB command和IP command是互斥的。
　　下图是FlexSPI模块框图，可以这么简单理解，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），这两种不同类型的command会经过ARB_CTL模块去仲裁，同一时间只有一种command胜出成为ARB command去实际操作Flash。

　　那FlexSPI模块这个限制到底怎么破？有以下三种方式可以来帮忙：

方法1：在MPU里设置Code Flash对应的映射地址区域，使能Cache，并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，可以直接借助IDE特性去完成（比如IAR，可以用__ramfunc去修饰关键函数）。
方法3：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）。

　　这三种方法里首推方法3，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其实是不推荐的，毕竟Cache是种玄学，岂是你想控制就控制的。
　　最后再说一下，挂一片RWW Flash或者两片Flash到底相比挂一片非RWW Flash有什么好处？其实痞子衡前面已经讲过了，虽然不能实现原地执行擦写代码，但是在擦写等待期间，CPU可以继续从Code Flash取代码执行，这样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启动的连接方式痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~