痞子衡嵌入式：恩智浦i.MX RT1xxx系列MCU外设那些事（2）- 百变星君FlexRAM

2024-03-31 12:01:34

　　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 RT1xxx系列MCU的FlexRAM外设。

　　本文是外设系列第二篇，上一篇讲的是离内核最近的高速缓存L1 Cache，今天咱们聊离内核第二近的静态内存SRAM。众所周知，i.MXRT系列内部没有非易失性存储器，但内部SRAM还是必备的，这个SRAM可用于存放data、Stack、Heap段或者Non-XIP代码text段等。我们知道Cortex-M7架构引入了TCM属性的静态内存，以Cortex-M7为内核的i.MXRT当然要支持TCM，除了TCM之外，i.MXRT还支持普通的OCRAM（On-chip SRAM），TCM和OCRAM在i.MXRT里都有着各自不可替代的应用场合，而在不同的具体应用中，TCM和OCRAM大小需求是不同的。为了能够灵活调整TCM和OCRAM大小，i.MXRT中引入了FlexRAM这个外设，今天痞子衡就跟大家聊一聊FlexRAM：

一、FlexRAM原理

　　关于FlexRAM原理，下面这一张模块框图基本就概括了FlexRAM方方面面，包含FlexRAM三种形态（ITCM/DTCM/OCRAM）、系统总线连接、区域供电控制、大小分配控制等。下面咱们就来分别聊：
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_block_diagram_general.PNG" style="zoom:100%" />

1.1 内存结构

　　先说FlexRAM内存结构，不管FlexRAM处于哪种形态（ITCM/DTCM/OCRAM），其本质上还是SRAM。<font color="Blue">因为FlexRAM需要被动态配置成不同形态，因此SRAM被划分成很多小块，每个小块称为一个Bank，Bank是配置形态的最小单元。i.MXRT里每个Bank的SRAM大小为32KB</font>（见下图中RAM_x_y，每个Bank虽由2个16KB RAM Block组成，但这两个RAM block是绑定在一条线上的，不可分割）
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_block_diagram2.png" style="zoom:100%" />

1.2 速度(性能)

　　再聊FlexRAM性能，FlexRAM三种形态（ITCM/DTCM/OCRAM）访问速度是不一样的，这主要是因为挂的总线类型不一样。<font color="Blue">TCM分为ITCM和DTCM，分别挂在64bit的I-TCM和2x32bit的D-TCM总线上，而OCRAM则挂在了64bit的AXI总线上</font>。

• Integrated I-TCM and D-TCM RAM controller
  • 64-bit I-TCM interface and 2x 32-bit D-TCM interface.
  • Synchronous interface to the M7 Core,run at the same frequency as the core
• Integrated OCRAM controller
  • As slave module on the 64-bit system AXI bus
  • Synchronous to the system bus, runs at the same frequency as bus fabric

　　<font color="Blue">TCM总线总是跟内核同频，AXI Master总线也是跟内核同频，但是AXI总线经由NIC-301模块中转处理后才输出给OCRAM，NIC-301固定工作在1/4内核主频下，因此OCRAM主频也只有内核频率的1/4</font>。
　　下图是RT1050上FlexRAM与内核之间的具体连接（图中SIM_M7频率是132MHz，这是以528MHz标准内核主频的1/4来算的）：
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_1050_ocram_clk.jpg" style="zoom:100%" /> 　　下图是RT1170上FlexRAM与内核之间的具体连接（图中SIM_M7频率是240MHz，这是以960MHz标准内核主频的1/4来算的）：
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_1170_ocram_clk.jpg" style="zoom:100%" />

　　虽然OCRAM工作频率比TCM低，但并不意味着放在OCRAM上的数据访问效率永远都比TCM访问效率低。<font color="Blue">TCM因为速度与L1 Cache一样，因此系统设计里其不会被L1 Cache缓存，但OCRAM是可以挂在L1 Cache上，有了Cache助阵，OCRAM上数据访问效率并不一定比TCM慢</font>。

1.3 供电管理

　　说说FlexRAM功耗控制，这部分在不同i.MXRT芯片上差异较大。FlexRAM最多有三个电源域，分别是PDRET、PDRAM0、PDRAM1，这三个域在不同的系统功耗模式下的开关状态如下：
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_power_domain_state.PNG" style="zoom:100%" />

　　PDRET域只在SNVS模式下才会关闭，基本上算是永远在工作了。PDRAM0域仅当内核suspend的时候，才可以被主动关闭。PDRAM1域在任意IDLE模式都可以被主动关闭。PDRAMx域的开关控制在GPC模块里（PDRAM0的控制在GPC->CNTR，PDRAM1的控制在PGC->MEGA_CTRL，PGC是GPC里的子模块）。
　　下面我们来看一下目前唯一一款三个FlexRAM电源域均支持的i.MXRT芯片（RT1050）上具体FlexRAM划分，从下图中我们可以看出Bank0属于PDRET域，Bank1-7属于PDRAM0域，Bank8-15属于PDRAM1域。
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_power_domain_ctrl_1050.PNG" style="zoom:100%" />

　　痞子衡前面讲过，FlexRAM功耗控制在不同i.MXRT芯片上差异较大，主要是因为这三个电源域在不同i.MXRT芯片上控制的Bank不同。之所以有这种差异是因为不同i.MXRT芯片Bank数量不一，并且有的i.MXRT除了支持FlexRAM之外，还支持额外的OCRAM（不属于FlexRAM范畴），因此功耗管理策略不一。下表很好地总结了不同i.MXRT芯片上FlexRAM电源域控制：

<table><tbody> <tr> <th rowspan="2">芯片</th> <th colspan="3">FlexRAM电源域</th> </tr> <tr> <th>PDRET</th> <th>PDRAM0</th> <th>PDRAM1</th> </tr> <tr> <td>i.MXRT117x</td> <td>-</td> <td>Bank0-15</td> <td>-</td> </tr> <tr> <td>i.MXRT106x</td> <td>-</td> <td>Bank0-15</td> <td>-</td> </tr> <tr> <td>i.MXRT105x</td> <td>Bank0</td> <td>Bank1-7</td> <td>Bank8-15</td> </tr> <tr> <td>i.MXRT1021</td> <td>Bank0-7</td> <td>-</td> <td>-</td> </tr> <tr> <td>i.MXRT101x</td> <td>Bank0-3</td> <td>-</td> <td>-</td> </tr> </table>

二、FlexRAM配置

　　前面扯了些FlexRAM原理，痞子衡知道大家略嫌枯燥，下面咱就上点干货，谈一谈大家最关心的FlexRAM怎么具体配置三种形态（ITCM、DTCM、OCRAM），这也是大家在做项目时最常用的功能。

2.1 内存容量

　　i.MXRT各芯片内存容量是不一样的，我们知道每个SRAM Bank都是32KB，内存容量不同则Bank数量不同，下表罗列了各i.MXRT芯片FlexRAM大小及Bank数：

<table><tbody> <tr> <th>芯片</th> <th>FlexRAM大小</th> <th>Bank数量</th> <th>独立OCRAM大小</th> </tr> <tr> <td>i.MXRT117x</td> <td>512KB</td> <td>16个，Bank0-15</td> <td>1.5MB</td> </tr> <tr> <td>i.MXRT106x</td> <td>512KB</td> <td>16个，Bank0-15</td> <td>512KB</td> </tr> <tr> <td>i.MXRT105x</td> <td>512KB</td> <td>16个，Bank0-15</td> <td>-</td> </tr> <tr> <td>i.MXRT1021</td> <td>256KB</td> <td>8个，Bank0-7</td> <td>-</td> </tr> <tr> <td>i.MXRT101x</td> <td>128KB</td> <td>4个，Bank0-3</td> <td>-</td> </tr> </table>

2.2 映射地址

　　在讲FlexRAM配置前，首先有必要交待一下FlexRAM各形态在ARM 4GB地址空间中的映射。<font color="Blue">对于CM7主核而言，ITCM永远是从0x0000_0000地址开始映射，DTCM永远是从0x2000_0000开始映射，而OCRAM的起始映射地址因i.MXRT芯片而异</font>（如果i.MXRT中没有非FlexRAM属性的OCRAM，那么就从0x2020_0000开始映射；如果i.MXRT中有独立的OCRAM，那么那个独立的OCRAM从0x2020_0000开始映射，属于FlexRAM的OCRAM则紧随其后映射，注：这个规则在RT1170的CM4内核下不适用）。
　　下表是RT1050上的FlexRAM映射地址（RT1050没有独立的OCRAM，则OCRAM从0x2020_0000开始映射）：
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_memory_map_1050.PNG" style="zoom:100%" /> 　　下表是RT1060上的FlexRAM映射地址（RT1060有512KB独立的OCRAM，属于FlexRAM的OCRAM则从0x2028_0000开始映射）：
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_memory_map_1060.PNG" style="zoom:100%" /> 　　下表是RT1170的CM7内核上的FlexRAM映射地址（CM7核下可以看到全部1.5MB独立的OCRAM，属于FlexRAM的OCRAM则从0x2038_0000开始映射）：
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_memory_map_1170_cm7.PNG" style="zoom:100%" /> 　　下表是RT1170的CM4内核上的FlexRAM映射地址（CM4核下仅能看到有1.125MB独立的OCRAM，属于FlexRAM的OCRAM从0x2020_0000开始映射）：
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_memory_map_1170_cm4.PNG" style="zoom:100%" />

2.3 静态配置

　　确定了FlexRAM各形态起始映射地址，那么FlexRAM配置主要就是关心每个形态（ITCM/DTCM/OCRAM）的容量各配置多少。<font color="Blue">芯片POR上电后，i.MXRT默认从eFuse中获取FlexRAM各形态容量分配值</font>。如果想用这种方式配置FlexRAM，只需要根据下面表格，找到合适的值烧写进eFuse即可，关于eFuse烧写，可参考痞子衡这篇文章《eFUSE及其烧写方法》。需要注意的是烧写完eFuse之后，需要复位才会生效。
　　下表适用128KB容量FlexRAM的RT10xx系列（如RT1011、RT1015）：
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_fuse_cfg_128KB.PNG" style="zoom:100%" /> 　　下表适用256KB容量FlexRAM的RT10xx系列（如RT1021）：
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_fuse_cfg_256KB.PNG" style="zoom:100%" /> 　　下表适用512KB容量FlexRAM的RT10xx系列（如RT105x、RT106x）：
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_fuse_cfg_512KB.PNG" style="zoom:100%" /> 　　下表适用512KB容量FlexRAM的RT11xx系列（如RT117x）：
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_fuse_cfg_1170.PNG" style="zoom:100%" /> <img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_fuse_cfg_1170_detail.PNG" style="zoom:100%" />

2.4 动态配置

　　i.MXRT也支持利用IOMUXC_GPR寄存器来动态配置FlexRAM，这也是为了解决利用eFuse静态配置FlexRAM的两个主要缺点：

Fuse烧写仅可一次，因此无法多次调整FlexRAM配置

Fuse中仅4/6bit配置位，没有穷尽所有FlexRAM Bank组合

　　<font color="Blue">利用IOMUXC_GPR寄存器可以多次重复配置FlexRAM各形态容量，并且配置是立即生效的，而且IOMUXC_GPR寄存器仅在POR时才被复位，普通System Reset无法复位其值</font>。利用IOMUXC_GPR寄存器配置FlexRAM需要按照如下步骤来操作：

2.4.1 分配Bank

　　首先是指定FlexRAM各Bank的分配情况，<font color="Blue">利用IOMUXC_GPR17寄存器的FLEXRAM_BANK_CFG位，你可以*指定每个Bank最终形态（ITCM/DTCM/OCRAM）</font>。

2.4.2 激活Bank分配

　　分配好各Bank形态后，<font color="Blue">将IOMUXC_GPR16寄存器的FLEXRAM_BANK_CFG_SET置位，FLEXRAM_BANK_CFG指定的配置即立刻生效，此时你去访问ITCM/DTCM/OCRAM，已经是新配置下的映射空间了</font>。

　　我们使用J-Link在RT1050上做个实验：
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_gpr_cfgen_test.JPG" style="zoom:100%" />

2.4.3 禁掉TCM（可选）

　　如果前面Bank分配时，没有分配ITCM或DTCM，那么最好在IOMUXC_GPR16寄存器里将对应INIT_ITCM/DTCM_EN位给清零。<font color="Blue">默认ITCM/DTCM都是使能的，如果INIT_ITCM/DTCM_EN位被禁掉，需要软复位才会生效，软复位后内核无法正常TCM映射地址空间，无论Bank分配时是否预留了TCM空间</font>。痞子衡建议这一步可以不做，就一直默认TCM使能。

　　我们使用J-Link在RT1050上做个实验：
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_gpr_tcmen_test.JPG" style="zoom:100%" />

2.4.4 调整TCM容量（可选）

　　最后就是根据前面的Bank分配，<font color="Blue">在IOMUXC_GPR14或者IOMUXC_GPR16寄存器里设置CFGITCMSZ/CFGDTCMSZ重新调整ITCM/DTCM容量，TCM容量调整是立刻生效的，这决定内核可能访问到的最大TCM空间</font>。默认ITCM/DTCM容量都是FlexRAM总容量，这并不代表ITCM/DTCM实际容量，只代表ITCM/DTCM可能的最大容量。痞子衡建议这一步也可以不做，就一直默认配置TCM到最大容量。

　　我们使用J-Link在RT1050上做个实验：
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_gpr_tcmsz_test.JPG" style="zoom:100%" />

2.4.5 示例代码

　　如果使用FlexRAM动态配置，这段配置代码需要嵌入到应用程序里，每次程序跑之前都需要配一次。由于涉及到FlexRAM重新配置了，因此配置代码运行时必须不能依赖任何FlexRAM空间，程序text段最好是链接在外部Flash中或者外部RAM（SDRAM/HyperRAM）中。
　　如果text段链接是合乎条件的应用程序，配置代码在应用程序中的逻辑位置也需要注意，需要放在data/bss段初始化以任何函数调用（压栈）之前（此处假设TCM用作了存放data或STACK功能），因此最佳位置就是在Reset_Handler，应用程序一上来就执行FlexRAM动态配置。
　　RT1050示例汇编代码如下（默认eFuse配置128KB ITCM, 128KB DTCM, 256KB DTCM，我们使用IOMUXC_GPR动态配置成64KB ITCM, 128KB DTCM, 320KB OCRAM），应用程序工程预编译选项里应设FLEXRAM_CFG_ENABLE=1，并且无需定义FLEXRAM_ITCM/DTCM_ZERO_SIZE。

__iomux_gpr14_adr     EQU  0x400AC038
__iomux_gpr16_adr     EQU  0x400AC040
__iomux_gpr17_adr     EQU  0x400AC044

__flexram_bank_cfg    EQU  0x55555FAA

__flexram_itcm_size   EQU  0x7        ;64KB
__flexram_dtcm_size   EQU  0x8        ;128KB

Reset_Hanlder
    CPSID I                     ;关闭全局中断

;//////////////////////////////////////
#ifdef FLEXRAM_CFG_ENABLE
    ;分配Bank，并且激活Bank配置
    LDR R0,=__iomux_gpr17_adr
    MOV32 R1,__flexram_bank_cfg
    STR R1,[R0]
    LDR R0,=__iomux_gpr16_adr
    LDR R1,[R0]
    ORR R1,R1,#4
    STR R1,[R0]
;//////////////////////////////
#ifdef FLEXRAM_ITCM_ZERO_SIZE
    ;禁掉ITCM
    LDR R0,=__iomux_gpr16_adr
    LDR R1,[R0]
    AND R1,R1,#0xFFFFFFFE
    STR R1,[R0]
#endif
;//////////////////////////////
#ifdef FLEXRAM_DTCM_ZERO_SIZE
    ;禁掉DTCM
    LDR R0,=__iomux_gpr16_adr
    LDR R1,[R0]
    AND R1,R1,#0xFFFFFFFD
    STR R1,[R0]
#endif
;//////////////////////////////////////
    ;调整TCM容量
    LDR R0,=__iomux_gpr14_adr
    LDR R1,[R0]
    MOVT R1,#0x0000
    MOV R2,#__flexram_itcm_size
    MOV R3,#__flexram_dtcm_size
    LSL R2,R2,#16
    LSL R3,R3,#20
    ORR R1,R2,R3
    STR R1,[R0]
#endif
;//////////////////////////////////////
    LDR R0,=0xE000ED08
    LDR R1,=__vector_table
    STR R1,[R0]
    LDR R2,[R1]
    MSR MSP,R2
    LDR R0,=SystemInit
    BLX R0
    CPSIE I
    LDR R0,=-_iar_program_start
    BX R0

　　至此，恩智浦i.MX RT1xxx系列MCU的FlexRAM外设痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~

码农公寓