串行NOR Flash執(zhí)行性能的究極模式 - QPIOPI

大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術的痞子。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 讀時序里有五大子序列 CMD + ADDR + MODE + DUMMY + READ，前面的文章中痞子衡講過《串行NOR Flash的Continuous read模式》，Continuous read 模式是為了在適當?shù)那闆r下精簡掉連續(xù)讀訪問里的后續(xù) CMD 子序列，它可以進一步提高 Flash 訪問性能，這已經(jīng)是極限了嗎？其實沒有，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 傳輸時序中的 CMD 子序列都是以 1 線形式發(fā)送的（即只通過 IO0 來發(fā)送），我想你肯定也曾經(jīng)覺得奇怪過，為何其他子序列都有 1/2/4/8 線模式可選，偏偏這個 CMD 子序列總是 1 線模式？其實這也不能怨 CMD，畢竟所有的 Flash 傳輸時序都從 CMD 子序列開始的，后續(xù)子序列的 Pad 模式都是靠 CMD 命令碼來區(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 廠商也為了它單獨做了設計，四線 Flash 可以切換到 4 線模式來發(fā)送 CMD 子序列（即 QPI 模式），八線 Flash 可以切換到 8 線模式來發(fā)送 CMD 子序列（即 OPI 模式），默認上電是 SPI 模式，然后在 SPI 模式下做指定設置可以切換到 QPI/OPI 模式，在 QPI/OPI 模式下做指定設置或者復位也能再回到 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 傳輸時序，此時 CMD 子序列僅在 2 個 CLK 內(nèi)就完成了傳輸，因為 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 傳輸時序，此時 CMD 子序列僅在 1 個 CLK 內(nèi)就完成了傳輸，因為 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廠商關于QPI/OPI切換設計

現(xiàn)在跟著痞子衡去看幾家主流Flash廠商關于 QPI/OPI 模式切換的設計（如果你想快速確認某一款型號Flash是否支持這個特性，找到其數(shù)據(jù)手冊搜索"QPI/OPI"看有沒有結果）：

2.1 四線 Flash 上切換設計

QPI 模式是四線 Flash 上一個性能模式特性，并不是所有 Flash 都支持這個特性。而對于支持 QPI 模式的 Flash，不同廠商的切換設計也不太相同，不過大部分廠商都是選擇發(fā)一個 CMD 命令時序來切換，比如芯成 IS25WP128 就是如下的時序進入和退出 QPI 模式：

痞子衡找了幾家市面上比較常見的四線 Flash，并整理了它們進出 QPI 模式命令碼如下：

當然也有一些廠商不是發(fā)一個 CMD 命令時序來切換的設計，而是通過設置 Flash 內(nèi)部寄存器的方式來做切換，比如賽普拉斯 S25FS-S 系列就是設置如下的寄存器來進入和退出 QPI 模式：

2.2 八線 Flash 上切換設計

對于八線 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置 Flash 內(nèi)部寄存器的方式來做切換：

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上實戰(zhàn)（IS25WP128）

了解了上面關于 QPI/OPI 模式知識后，我們在恩智浦 i.MXRT1170-EVK 板子上實踐一下。默認連接的 Flash 是IS25WP128，這款 Flash 是支持 QPI 模式的，我們隨便在SDK包里找一個 XIP 例程，修改工程里  evkmimxrt1170_flexspi_nor_config.c 文件里的 FDCB 啟動頭如下，改完下載程序進 Flash 運行，代碼執(zhí)行效率應該會有所提升。

#define CMD_LUT_SEQ_IDX_ENTER_QPI 7
const flexspi_nor_config_t qspiflash_config = {
    .memConfig =
        {
            // ... 默認設置省略
            
            // 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),
                },
        },
    // ... 默認設置省略
};

關于 OPI 模式使能的例子可以直接參考 MIMXRT500/600 SDK，因為其配套 EVK 使用的是旺宏 MX25UM51345，所以官方 SDK 里啟動頭 FDCB 都是包含開啟 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，對項目最大的影響是考慮軟復位后芯片再次啟動的問題，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SW Reset功能及其應用場合》。

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~~~