i.MXRT在串行NOR Flash XIP调试原理

NXP管管

　本文是i.MXRT硬件那些事系列第二篇的续集，在第二篇首集中痞子衡给大家详细介绍了EVK板载调试器用法，有了调试器在手，从此调试不用愁。从调试代码所在目标存储器类别上来分，调试一般分为在SRAM调试和在Flash调试。在SRAM调试实现比较简单，程序直接从JTAG/SWD口灌进RAM即可；在Flash调试，则相对复杂一点，因为首先需要有Flash下载算法，下载成功后才能调试。


　　通常的Cortex-M内核MCU一般都会内嵌并行NOR Flash，这个并行NOR Flash是直接挂在Cortex-M内核高性能AHB总线上的，知名IDE如果支持这款MCU，也都会同时集成对应Flash的下载算法，方便用户直接在IDE里下载代码进Flash和XIP调试，但是i.MXRT内部并没有Flash，用户需要自己外接Flash，那该怎么办？还能在线XIP调试么？别着急，i.MXRT可以支持外接并行NOR和串行NOR实现XIP，从节省管脚数的角度，最常见的做法是将串行NOR Flash挂在i.MXRT FlexSPI总线上，FlexSPI支持XIP特性，所以原理上可以实现在线调试，今天痞子衡就为大家介绍i.MXRT上在外部串行Flash调试的原理：


一、ARM CoreSight调试架构
　　要实现在串行Flash调试，首先要能对内核进行调试。i.MXRT芯片是基于Cortex-M内核的，而Cortex内核的调试和跟踪，当然离不开CoreSight，它是ARM公司于2004年推出的一种新的调试体系结构，也是内核授权的一部分。
　　CoreSight功能非常强大，其包含了很多调试组件（即各种协议），下图来自于 CoreSight技术简介手册，图中标出了CoreSight架构下的各种调试组件之间的联系，这么多组件一下子看起来会有点晕，如果我们按功能将这些组件分组，它们可以被分成如下三组：


源部件（Source）：芯片上跟踪数据的来源，产生跟踪数据发送到ATB(AMBA Trace Bus)。比如STM和ETM都属于Source部分。


控制访问部件（Sink）：配置和控制数据流的产生，但是不产生数据流，即那些可以保持从Source过来数据的模块。比如DAP和ECT(包含CTI和CTM)都属于Sink部分。


汇聚点（Link）：芯片上跟踪数据的终点，用于引导从Source到Sink过程中的类似于通道作用的模块。比如TPIU、ETB和SWO都属于汇聚点。

本文主要是概述性地介绍i.MXRT在外部串行Flash调试的原理，并不想深入探析CoreSight，因此对于CoreSight，我们只需要知道是它完成了主要的调试工作，而CoreSight唯一的依赖就是要保证能通过DAP组件从AMBA总线实时访问系统内存和外设寄存器（当然包括外部串行Flash中的代码）。


二、i.MXRT FlexSPI外设特性
　　要实现在串行Flash调试，其次是代码要能在串行Flash中XIP(原地执行)，即CPU要能实时从串行Flash中任意位置取指令和数据。本文讲的串行Flash一般指SPI接口的NOR Flash，SPI模式可以是Single/Dual/Quad/Octal。无论是哪种SPI模式，这种接口的Flash本质上都属于串行Flash，地址线和数据线不仅共享而且是串行的。而按照通常的理解，要能够实现XIP，Flash应该是并行总线接口挂在AMBA上，这个并行总线应有独立的地址线和数据线，且地址线宽度跟Flash大小相对应。那么串行Flash为什么能在i.MXRT上实现XIP呢？答案就是FlexSPI外设。



　　让我们打开RT1050参考手册，找到FlexSPI外设章节，可以看到如下FlexSPI模块框图，框图右边是FlexSPI与外部串行Flash的信号连接，框图左边是FlexSPI与i.MXRT系统内部总线连接，总线连接分为两种，分别是32bit IPS BUS（即手动操作FlexSPI寄存器发送Flash读写命令），64bit AHB BUS（由FlexSPI翻译AHB访问地址并自动发送相应Flash读写命令），串行Flash能够XIP的奥秘就在FlexSPI外设的AHB BUS连接。

关于这个64bit AHB BUS连接，我们可以FlexSPI特性里的Memory mapped read/write access by AHB Bus一栏找到更多细节。i.MXRT为FlexSPI外设在系统内存里分配了AHB访问地址映射（对于XIP调试来说主要是读访问），当CPU取指到FlexSPI AHB地址映射空间时，FlexSPI外设会自动完成从外部串行Flash读取指令数据的工作，并将指令数据存放到AHB RX buffer里（一共8个），CPU直接从AHB RX buffer里获取指令去执行，AHB RX buffer可以有效降低读延时。


AHB RX Buffer implemented to reduce read latency. Total AHB RX Buffer size: 128 x 64 Bits


16 AHB masters supported with priority for read access


8 flexible and configurable buffers in AHB RX Buffer


AHB TX Buffer implemented to buffer all write data from one AHB burst. AHB TX Buffer size: 8 x 64 Bits


All AHB masters share this AHB TX Buffer. No AHB master number limitation for Write Access.


　　关于FlexSPI AHB地址映射，可见下面的RT1050 memory map表，AHB映射起始地址为0x60000000，最大支持504MB的空间（适用RT1010/RT1020/RT1050/RT1060）。如果是RT1064，AHB映射起始地址改为0x70000000；如果是RT1170，除了0x60000000映射地址外还新增了0x30000000的地址映射。FlexSPI AHB映射地址读访问包含以下特点：


Cachable and Non-Cachable access


Prefetch Enable/Disable


Burst size: 8/16/32/64 bits



All burst type: SINGLE/INCR/WRAP4/INCR4/WRAP8/INCR8/WRAP16/INCR16

三、串行NOR Flash下载算法
　　要实现在串行Flash调试，最后要确保代码被成功下载到串行Flash中。串行Flash的读写不像访问RAM那样简单，是需要一套专门的FlexSPI NOR Flash驱动的，即所谓的Flash下载算法。
　　串行Flash种类很多，虽然大多都符合JESD216标准，但是具体到某个厂家生产的Flash，还是有细微区别的。有的Flash下载算法力求支持尽可能多的Flash，而有的Flash下载算法则仅针对某个系列Flash。不管是哪种Flash下载算法，对于i.MXRT这样没有内部Flash的芯片而言，Flash下载算法都是要跟具体的i.MXRT开发板相关联的，因为开发板决定了Flash连接的pinmux，Flash下载算法里FlexSPI管脚初始化要与开发板相匹配。
　　每个IDE的Flash下载算法设计不尽相同，本文暂不详细介绍具体Flash下载算法，后续文章会对常见IDE的Flash下载算法设计进行详解。


四、在串行Flash调试过程

　　CoreSight架构，FlexSPI特性，NOR Flash下载算法都介绍过了，在串行Flash调试的充分条件都有了。现在痞子衡为大家综合介绍一下调试过程。下面是痞子衡特地画的简图，其实调试过程概述起来并不复杂，当你启动IDE调试时，预先放在IDE里的Flash下载算法（可执行文件）会首先通过调试器下载到i.MXRT内部FlexRAM中运行，并完成FlexSPI外设初始化和应用程序下载工作（将应用程序可执行文件下载进串行Flash中），应用程序下载完成之后，便由CoreSight开始接管调试工作，此时CPU已经可以通过AHB总线访问挂在FlexSPI外设上的串行Flash里的代码，所以CoreSight当然可以完成实时代码运行控制与跟踪，你在IDE里也就可以进行单步调试啦。

作者：痞子衡      文章出处：痞子衡嵌入式

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