为什么QE bit是影响串行Flash正常启动的重要因素？

NXP管管

为什么QE bit是影响串行Flash正常启动的重要因素？

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导致串行NOR Flash在i.MXRT下无法正常下载/启动的常见因素之QE bit。


i.MXRT系列MCU发布已两年多了，基于i.MXRT的客户产品也越来越多，可以说是全面开花了。痞子衡作为i.MXRT产品线的系统应用工程师，早期的时候还可以尽情做参考设计，现在基本大量时间都被客户支持占据了。


因为i.MXRT系列都没有内置Flash（RT1064, RT1024等SIP型号除外），因此为其搭配一块串行NOR Flash去启动是客户项目的头等大事，而串行NOR Flash厂商非常多，客户选择余地很大，因此我们不得不与客户一起同茫茫Flash型号打交道，痞子衡也常常调侃自己已沦为Flash测试工程师。


痞子衡在支持客户解决串行NOR Flash下载启动问题过程中主要遇到几个常见因素，这几个因素可能会影响Flash在i.MXRT下无法正常使用，上篇痞子衡讲了 《SFDP因素》， 今天痞子衡重点跟大家聊聊QE bit这个因素。


一、什么是QE bit？
QE是Quad Enable的缩写，中文叫四线使能，我们需要结合i.MXRT EVK上默认放置的QSPI NOR Flash（ISSI IS25WP064AJBLE）来解释这个概念。


1.1 QE定义
如下是 IS25WP064AJBLE 的引脚图，也是最经典的QSPI NOR Flash封装形式（SOIC-8），8个引脚，除去必备的电源和地，还剩6根信号线。这6根信号线中用蓝色框括起来的Pin1/2/5/6即嵌入式通讯里常见的SPI接口。除此以外，还有2根用绿色框括起来的信号线Pin3/7，它俩是功能复用的，要解释QE，就跟它俩功能定位有关。


QE往简单了说就是，Pin3/7用作IO2/3当数据传输功能，即是QE使能；而Pin3/7用作WP#、HOLD#控制功能则是QE不使能。

1.2 QE意义
QE不使能Pin3/7用作WP#、HOLD#功能这个很好理解，就是通过外部引脚电平设置来保护Flash数据安全（主要是不被误擦写）。那么QE使能有什么意义呢？这得要从QSPI NOR Flash工作模式说起。


一个标准的NOR Flash操作时序正常由：CMD + ADDR + dummy + DATA 四部分组成，怎么传输这些数据决定了Flash工作模式。从大的分类来说，Flash工作模式分为两种，即SPI模式和QPI模式：

1. SPI模式：数据线IO0是大哥，CMD只能由IO0发出，其他数据传输可以跟IO[3:1]一起上（具体怎么上，方式特别多，后面会介绍）
   
2. QPI模式：四根数据线IO[3:0]地位对等，所有数据传输都是四兄弟一起上，从I/O使用效率来说，属它最高。

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Flash芯片默认上电都是在SPI模式，需要在SPI模式下发送特殊的命令（QPIEN - 0x35）才会进入QPI模式，而且进入QPI模式后，QE控制功能就不生效了（无论QE什么设置，都相当于QE使能状态），原因是QPI模式下必须IO[3:0]一起上。因为i.MXRT BootROM默认不支持QPI模式（想做也行，但麻烦），所以我们仅讨论SPI模式。


Flash操作主要是读、写、擦，我们就以最常见的读来讨论SPI模式。继续翻看 IS25WP064AJBLE 手册，找到其命令集，可以看到读相关的命令特别多，一共有9种。不算DTR（双边沿采样）的话光SDR下（单边沿采样）就有6种，痞子衡前面说过，SPI模式下IO[3:0]具体怎么传数据方式很多就体现在这里。

痞子衡重点介绍效率最低的Normal Read Mode（NORD - 0x03）和效率最高的Fast Read Quad I/O（FRQIO - 0xEB）。下图是两者时序对比图，可以看到NORD模式下（下图左边），仅使用IO[1:0]，IO0负责发送命令、地址，IO1负责收数据，并且SCK最高50MHz；而FRQIO模式下（下图右边），除了IO0发送命令外，其余地址、数据都是由IO[3:0]一起完成的，而且SCK可达133MHz，效率堪比QPI模式了。

为了充分利用Flash去执行代码（XIP），我们肯定希望Flash能工作在FRQIO模式下，而FRQIO模式能否正常使用显然取决于QE设置。


二、QE bit位置差异
前面介绍了QE功能，那么在Flash里是如何设置QE功能的呢？其实Flash内部除了Memory块外，通常还有一些寄存器来记录用户配置或保存状态。


2.1 几个不同QE bit设计
如下是 IS25WP064AJBLE 的状态寄存器（Status Register），其有仅有一个SR，其中SR1[6]即是QE bit，用以设置QE功能，并且需要注意的是QE bit是非易失性的，这意味着Flash即使掉过电，这个QE设置还在。

IS25WP064AJBLE 里读写SR有专门的CMD，其中写SR命令字（WRSR）是常见的0x01：

是不是所有厂商的Flash都统一按上面这样来设计QE bit的呢？很遗憾，并不是！让我们再来看一款来自华邦的 W25Q64JVSIM，其内部共有三个SR，而SR2[1]才是QE bit：

W25Q64JVSIM 里读写SR有三组CMD，其中用于设置QE的写SR2命令字是0x31：

看起来在QE bit设计这一块，各厂商Flash不一定是一样的，据痞子衡所知，目前市面上至少存在四种不一样的QE bit设计，痞子衡就不一一列举了。更有甚者，同一个厂商的不同系列Flash的QE设计也可能不一样，比如兆易创新的Flash。


2.2 SFDP - JESD216A规范
对于存在的不同的QE bit设计，想要用一套软件驱动去开启QE，变得有点困难，那该怎么办？这时候JEDEC站了出来。痞子衡在 《SFDP因素》 一文第一节里提到JESD216标准从2011年开始至今发展了5个版本，其中最初的版本JESD216里没有对于QE bit位置的定义（SFDP里Basic Flash Parameter Table仅包含9个DWORD），从JESD216A开始QE bit位置信息也被记录在了SFDP表中（Basic Flash Parameter Table扩展到16个DWORD），QE bit信息就记录在如下Table 15：

所以对于不支持SFDP或者仅是JESD216版本SFDP的Flash，我们需要手动查其数据手册找到QE bit信息。而JESD216A及以上版本的Flash，我们直接读出SFDP表即可知道QE bit信息。

三、默认QE bit状态
现在我们对QE bit已经有了全面的了解，还剩最后一个问题，各厂商的Flash出厂时其QE bit初始是什么状态？据痞子衡了解，每个厂商几乎同时都有QE默认是开或者关的Flash型号，这在Part Number上会有体现，比如下面华邦W25Q系列的命名规则，最后一位代表了默认QE状态：

其他Flash厂商关于QE状态的命名规则各有不同，需要自行查看手册去了解。


四、在i.MXRT下如何处理不同QE bit的Flash
现在我们开始探讨不同QE bit情况对于i.MXRT下载启动的影响，第一步是查看Flash是否有SFDP，以及明确其SFDP版本。


4.1 明确SFDP版本
以i.MXRT EVK上默认IS25WP064AJBLE这款Flash为例，从数据手册里看，其支持SFDP，但是找不到具体JESD216版本，所以需要我们直接从Flash里读出SFDP，找到第一个Parameter Header里的Minor Revision，发现其值是0x06，即JESD216B。

1. enum
   
2. {
   
3.     kSfdp_Version_Major_1_0 = 1,
   
4.     kSfdp_Version_Minor_0  = 0, // JESD216
   
5.     kSfdp_Version_Minor_A  = 5, // JESD216A
   
6.     kSfdp_Version_Minor_B  = 6, // JESD216B
   
7.     kSfdp_Version_Minor_CD = 7, // JESD216C, JESD216D, JESD216D.01
   
8. };

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4.2 设定QE信息去下载
因为IS25WP064AJBLE的SFDP版本较高，所以其QE信息可以不从手册里查看了，而如果Flash不支持SFDP或者SFDP是初版，则需要查数据手册记录QE bit位置及初始状态。


我们知道无论是Jlink还是各大IDE下载算法或是痞子衡的MCUBootUtility工具，在i.MXRT下基本都是同一套下载算法设计，即 《ROM API实现IAP》 中2.2节那样的用法。对于经典的四线QSPI NOR，我们只需要简单修改option值即可。


对于i.MXRT1060下的IS25WP064AJBLE，我们直接设option = 0xc0000008。即标准四线，速度为133MHz，QE默认是NotConfig（注意option[11:8]表示QuadMode），为什么QE设NotConfig？那是因为这颗Flash的SFDP版本高，下载算法能从SFDP中找到QE信息并且会尝试使能它。

1. enum
   
2. {
   
3.     kSerialNorQuadMode_NotConfig = 0,
   
4.     kSerialNorQuadMode_StatusReg1_Bit6 = 1,
   
5.     kSerialNorQuadMode_StatusReg2_Bit1 = 2,
   
6.     kSerialNorQuadMode_StatusReg2_Bit7 = 3,
   
7.     kSerialNorQuadMode_StatusReg2_Bit1_0x31 = 4,
   
8. };

复制代码

而如果Flash是非SFDP或JESD216且QE默认是关的，那么option[11:8]必须要设置正确，否则下载校验时会报错。比如前面介绍的W25Q64JVSIM，痞子衡不确定其是什么SFDP版本，保险起见，我们可以直接设option = 0xc0000408。


上面的option值QE设置与痞子衡的MCUBootUtility下载工具是对应的：

4.3 匹配FDCB去启动
下载时如果能够成功将Flash里的QE打开，i.MXRT启动时就可以不用特殊做什么，直接用SDK里提供的FDCB即可。为了达到最高XIP性能，FDCB里的LUT都是配的四线I/O模式的Fast Read，而QE此时已经打开，那么CPU去Flash里读指令不会有任何问题。

至此，导致串行NOR Flash在i.MXRT下无法正常下载/启动的常见因素之QE bit痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~

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jobszheng5

学习了。
再深入学习也要仔细阅读文档了

williamchen0926

很完整的說明，謝謝分享。學習了