痞子衡嵌入式:飞思卡尔i.MX RTyyyy系列MCU外设那些事(2)- 善变的FlexRAM

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  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飞思卡尔i.MX RTyyyy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:
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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。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(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)
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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。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

• 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

  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
  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):
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  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):
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  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。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

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:
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  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。
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  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:

芯片 FlexRAM电源域
PDRET PDRAM0 PDRAM1
i.MXRT117x - Bank0-15 -
i.MXRT106x - Bank0-15 -
i.MXRT105x Bank0 Bank1-7 Bank8-15
i.MXRT1021 Bank0-7 - -
i.MXRT101x Bank0-3 - -

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:

芯片 FlexRAM大小 Bank数量 独立OCRAM大小
i.MXRT117x 512KB 16个,Bank0-15 1.5MB
i.MXRT106x 512KB 16个,Bank0-15 512KB
i.MXRT105x 512KB 16个,Bank0-15 -
i.MXRT1021 256KB 8个,Bank0-7 -
i.MXRT101x 128KB 4个,Bank0-3 -

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。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(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):
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  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):
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  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):
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  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):
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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。芯片POR上电后,i.MXRT默认从eFuse中获取FlexRAM各形态容量分配值。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):
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  下表适用256KB容量FlexRAM的RT10xx系列(如RT1021):
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  下表适用512KB容量FlexRAM的RT10xx系列(如RT105x、RT106x):
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  下表适用512KB容量FlexRAM的RT11xx系列(如RT117x):
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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

  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。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,利用IOMUXC_GPR17寄存器的FLEXRAM_BANK_CFG位,你可以自由指定每个Bank最终形态(ITCM/DTCM/OCRAM)

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2.4.2 激活Bank分配

  分配好各Bank形态后,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

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  我们使用J-Link在RT1050上做个实验:
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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。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。痞子衡建议这一步可以不做,就一直默认TCM使能。

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  我们使用J-Link在RT1050上做个实验:
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2.4.4 调整TCM容量(可选)

  最后就是根据前面的Bank分配,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。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。

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  我们使用J-Link在RT1050上做个实验:
痞子衡嵌入式:飞思卡尔i.MX RTyyyy系列MCU外设那些事(2)- 善变的FlexRAM

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,飞思卡尔i.MX RTyyyy系列MCU的FlexRAM外设痞子衡便介绍完毕了,掌声在哪里~~~

Mac上通过docker配置PHP开发环境

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THE END
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