为什么串行NAND Flash不支持XiP？

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为什么串行NAND Flash不支持XiP？

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串行NAND Flash的两大特性导致其在i.MXRT FlexSPI下无法XiP。


在嵌入式世界里，当我们提起XiP设备（支持代码原地执行的存储器），首先想到的应该是NOR Flash。比如中低端MCU内部通常会集成小容量并行NOR Flash（一般2MB以内），用于存放应用程序；而高性能MCU，往往内部不会集成Flash，需要在板级设计时外挂一片稍大容量的NOR Flash（大部分是串行NOR，一般8MB以上）。


恩智浦i.MXRT系列属于高性能MCU，需要外挂Flash。i.MXRT本身可以支持串/并行NOR、串/并行NAND四类设备作为启动设备，但在官方参考设计板EVK上，推荐的都是串行NOR Flash型号。官方没有推荐并行NOR/NAND，这是可以理解的，毕竟相比串行接口Flash，引脚占用略多，这对I/O资源紧张的MCU项目来说不太讨喜。那官方为何不推荐串行NAND作为启动设备呢？这主要是串行NAND在i.MXRT下无法XiP，这对项目软件设计来说有一些限制。NAND无法XiP的原因有两点，既跟NAND自身特性有关，也跟FlexSPI外设特性有关，且听痞子衡细说：


一、FlexSPI对于NAND的支持
我们知道在i.MXRT中是FlexSPI外设负责实现串行NOR/NAND Flash设备的读写访问支持，痞子衡写过一篇文章 《从头开始认识i.MXRT启动头FDCB里的lookupTable》，文章详述了FlexSPI是如何通过lookupTable来支持串行NOR Flash设备XiP启动的（这里主要是读访问支持）。


在lookupTable设计里，其实AHB读访问并不是NOR Flash设备的专利，或者这么说，FlexSPI外设本身并不在乎连接得是什么类型的设备，它就是完全根据用户在lookupTable里填入的命令时序按部就班工作而已。


对于四线QSPI NOR，仅需要在lookupTable里填入一条命令时序（Read有很多种，但都能在一条Sequence里实现）就可以支持AHB读。而HyperFlash、HyperRAM和串行NAND等设备，lookupTable里一条命令时序搞不定完整读操作，需要多条命令时序组合完成。


FlexSPI外设支持在lookupTable中联合多条命令时序去实现AHB读，通过FlexSPI->FLSHxxCR2寄存器里的如下两处功能位来实现。ARDSEQID位指明读访问时序在lookupTable中的起始位置(index)，ARDSEQNUM位指明读访问时序共占用几条命令时序（这也意味着几条命令时序要按序放在一起）。

比如Micron MT29FxG01串行NAND系列，就需要如下三条命令时序（Page Read + Get Feature + Random Data Read）组合完成读操作。但是理想很丰满，现实却骨感，即使组合这三条命令时序也无法在FlexSPI下实现NAND的XiP。


实际应用时，对于NAND的读访问，都是在程序代码中先通过IPCMD方式手动发送Page Read和Get Feature命令，然后借助lookupTable中的Random Data Read命令实现仅一个Page空间大小的AHB读，做不到全部NAND空间的自动AHB读（当然如果你觉得一个Page空间的AHB读太鸡肋，完全可以直接用IPCMD方式去读Page数据）。


Note: 关于NAND仅一个Page空间的AHB读支持再作下详细解释。比如NAND的Page大小为2KB，那么系统里仅需给NAND分配0x60000000 - 0x600007FF的AHB映射空间，每次对这个空间进行AHB读之前，都需要先通过IPCMD发送Page Read和Get Feature，确保NAND处于Page数据输出的Ready状态，底下FlexSPI就可以完成这个Page内的任意AHB读访问支持。而一旦切到新Page访问，需要重复上述过程，因此NAND所有Page的访问都可以在这个2KB的映射空间里完成的。

二、串行NAND阻碍XiP的两大特性
到底串行NAND的什么特性阻碍了XiP，现在痞子衡来揭秘，在揭秘前大家先看一下痞子衡的旧文 《Raw NAND简介》，先对NAND型Flash有个初步了解。下面痞子衡以Micron MT29FxG01型号串行NAND为例介绍其阻碍XiP的两大特性：


2.1 坏块导致的非线性存储
凡是NAND型Flash都绕不开坏块（Bad Block）问题，这也是NAND Flash区别于NOR Flash的一个重要特点。NAND技术上允许坏块的存在，这降低了NAND生产工艺要求，因此NAND单位容量价格比NOR低。


NAND内部按粒度从大到小划分依次为Plane、Block、Page、Byte（如下图所示），因为坏块导致了一些Block无法有效存储数据，这些Block会被标记拉黑，所以从主设备访问角度来看，NAND中的数据并不是按地址连续存储的，坏块占据的地址均为无效地址，这就是所谓的非线性存储，而非线性存储设备显然无法作为XiP设备。


非线性存储器，对于写入操作，无法保证应用程序一定放在指定链接的地址（即在Flash中的对应偏移地址），写入过程中遇到坏块，会跳过坏块，而那些坏块占据的无效地址极有可能就是应用程序实际链接地址。

2.2 ECC校验导致的Page Read等待
我们现在假设一种理想情况，NAND中不存在任何坏块，可以强行把NAND当作线性存储设备，这种情况下是不是就可以被用作XiP设备了呢？很遗憾，FlexSPI外设还是不能正面支持（有替代方法来支持）。


我们来看串行NAND的完整读时序，0x13（Page Read）是FlexSPI发送的第一个命令，用于通知NAND主设备想要访问Page了，随后发送列地址，指明要读的Page位置，此时NAND便会将内部状态寄存器里Busy位标志起来并进入忙状态。


在忙状态时间里，NAND会从内存块里将指定的Page数据全部拷贝到临时缓存区（Cache memory），对这一整个Page数据进行ECC校验，校验完成后将状态寄存器里相应ECC标志起来以及将Busy位清除掉，然后结束忙状态，进入数据输出准备状态。


由于不知道NAND什么时候会结束忙状态，因此FlexSPI需要不断发送0x0F（Get Feature命令）去读取状态寄存器的值，直到状态寄存器里Busy位被清零才能去读取Page数据，这种逻辑判断行为在lookupTable里无法自动实现（NOR读时序里无需逻辑判断）。

如果特意省略读状态寄存器的步骤，避免逻辑判断行为，在lookupTable直接填入Dummy周期来代替行不行呢？理论上倒是可以的。我们来算一下，比如NAND典型的50MHz时钟频率，一个Dummy Cycle周期耗时20ns，NAND Page Read等待典型值是45us，即2250个Dummy Cycle，lookupTable有16条Sequence，每个Seqence支持8个instruction，每个instruction如果都设为DUMMY_SDR，参数设最大255，则9个instruction就能满足这个等待时间。

但即使这么做能勉强实现NAND Flash的XiP，代码实际执行效率也是非常低下的，毕竟涉及到跨Page的指令长跳转（暂不讨论Cache因素）就需要等待45us，这在嵌入式世界里是不短的时间，系统实时性无法保证，又有什么意义呢？


至此，串行NAND Flash的两大特性导致其在i.MXRT FlexSPI下无法XiP痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~

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linghz

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不错不错，比我强多了