串行NOR Flash執(zhí)行性能的究極模式 - QPI/OPI

時間：2022-10-19 13:06:14

關鍵字： CMD ADDR Flash

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[導讀]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 模式是為了在適當的情況下精簡掉連續(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。

大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。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 模式是為了在適當的情況下精簡掉連續(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，Flash 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Flash廠商關于QPI/OPI切換設計

現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，找到其數據手冊搜索"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：

Flash型號	進入QPI模式命令碼	退出QPI模式命令碼
Adesto AT25SL系列	0x38	0xFF
芯成IS25WP系列	0x35	0xF5
華邦W25QxxJV-DTR系列	0x38	0xFF
兆易創(chuàng)新GD25Q系列	不支持	不支持

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 8 線 Flash 的廠商并不多）。這些廠商都是提供設置 Flash 內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 };