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
作者:互联网
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,你可以自由指定每个Bank最终形态(ITCM/DTCM/OCRAM)</font>。
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_gpr_cfg_128KB_256KB.png" style="zoom:100%" /> <img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_gpr_cfg_512KB_v2.png" style="zoom:100%" />
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>。
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_gpr_cfgen.jpg" style="zoom:100%" />
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。
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_gpr_tcmen.jpg" style="zoom:100%" />
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。
<img src="http://henjay724.com/image/cnblogs/i.MXRT_Peripheral_FlexRAM_gpr_tcmsz.jpg" style="zoom:100%" />
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~~~
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