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i.MXRT啟動頭FDCB裡的lookupTable。
一個MCU内部通常有很多外設子產品，這些外設子產品是各MCU廠商做差異化産品的本質，也是各廠商核心競争力所在（這裡特指那些生産ARM Cortex-M核心MCU的廠商）。在做MCU開發時有時候并不需要了解全部的外設，因為有些外設在項目裡不一定會用到，但是要想把恩智浦i.MXRT系列MCU玩起來，有一個外設是必須要有所了解的，它就是FlexSPI，這個外設負責與外部串行NOR Flash連接配接，實作外部NOR Flash裡的應用程式指令與資料的讀取，而串行NOR Flash正是i.MXRT首選的啟動裝置。
那麼在FlexSPI外設子產品裡究竟是什麼機制實作了Flash中應用程式指令與資料的讀取功能呢？痞子衡從i.MXRT啟動頭FDCB裡的lookupTable設定開始說起：
關于在串行NOR Flash XIP執行原理，痞子衡其實在之前一篇文章 《在串行NOR Flash XIP調試原理》 的第二小節 i.MXRT FlexSPI外設特性 介紹過，是FlexSPI這個外設實作了從串行Flash任意位址取指令的功能，這是先決條件。
有了從Flash任意位址取指的先決條件基礎，在i.MXRT晶片上電後，BootROM便隻需要将FlexSPI外設配置到指定工作狀态（這裡詳見 《深入i.MXRT1050系列ROM中串行NOR Flash啟動初始化流程》 一文，尤其是文中最後一節提到的第二次FlexSPI初始化，本文讨論的内容其實屬于第二次初始化後的狀态），FlexSPI外設配置資訊完全來自于啟動頭FDCB（一共512bytes），FlexSPI配置完成後，BootROM再把CPU控制權交給應用程式，這就完成了啟動任務。
下面的 qspiflash_config 便是i.MXRT SDK包裡使用的一個典型的适用符合JEDEC SFDP标準且容量為8MB的QSPI NOR Flash的FDCB頭。這個啟動頭将FlexSPI配置成了四線模式，100MHz時鐘頻率，Quad I/O Fast Read時序模式（注意這個頭裡lookupTable設定寫法其實并不标準，沒有顯式地寫出模式序列和停止序列，後面痞子衡會細說）：
當PC開始指向FlexSPI映射空間（0x60000000 - 0x607FFFFF）去執行使用者程式時，FlexSPI便在背後一直默默為CPU送上指定的指令資料，如下圖綠色箭頭流向所示。指令資料從外部Flash中通過IO_CTL且按照SEQ_CTL指定的時序送入RX_FIFO，再到AHB_RX_BUF，最後經過AHB_CTL送到系統AHB總線上，以被CPU無障礙擷取。整個過程中最重要的自動化環節其實是黃色框内的SEQ_CTL，是這個SEQ_CTL在時刻驅動着FlexSPI發送符合Flash要求的讀通路時序。
經過上一節的分析，我們知道了是FlexSPI中的SEQ_CTL元件實作了核心的Flash通路時序控制，那麼SEQ_CTL我們該怎麼控制它？别急，這時候該LUT登場，LUT是Look Up Table的簡稱，它其實是FlexSPI内部的一塊存儲區（即FlexSPI->LUTx寄存器），它的組織結構如下，LUT由多個Sequence組成（比如i.MXRT1050上是16個），每個Sequence由最多8個instruction組成，每個instruction大小為16bits，分為opcode（序列編号） + num_pads（管腳模式） + operand（序列參數值）三部分。
每個instruction，你可以了解為一個Flash通路傳輸子序列（比如指令序列、位址序列、模式序列，dummy序列，讀/寫資料序列，停止序列等），在FlexSPI外設子產品裡面預先實作了很多個基礎instruction，instruction中的opcode即是那些預實作的序列編号。opcode全部編号如下：
有了這些基礎instruction，我們便可以自由組合它們（最多8個），得到我們想要的完整傳輸Sequence。比如最常見的Quad I/O Read SDR傳輸時序便由CMD_SDR + RADDR_SDR + MODE8_SDR + DUMMY_SDR + READ_SDR + STOP六個子序列組成，如下表所示：
Note: 關于READ_SDR的參數值設定（即讀取資料長度）需要特别說明一下，這個參數僅對IP CMD方式的通路時序有效；而對于AHB CMD方式的通路時序，這個參數值設定是無效的，實際讀取資料長度是由AHB RX Buffer政策靈活決定的。
從引腳信号上來看，完整Quad I/O Read SDR傳輸時序如下圖所示。注意有一處要特别說明，從FlexSPI外設本身而言，MODE8_SDR序列和DUMMY_SDR序列是互相獨立的，但在不少Flash晶片上，MODE8_SDR所占的2個時鐘周期也被算在了總Dummy時鐘周期數裡。
LUT中最多可以存儲16個Sequence，對于XIP執行而言，隻需要一個讀通路時序（比如最常用的Quad I/O Read SDR傳輸時序）即可。如果是IAP，那麼還需要添加擦除時序，寫通路時序，寫使能時序，讀狀态寄存器時序等。這些預先存放在LUT中的Sequence被使用者按需觸發以實作各種不同類型的Flash通路，這就是SEQ_CTL工作機制。
從FlexSPI外設子產品設計上而言，LUT裡16個Sequence地位是相同的，對于XIP執行，必要的讀通路時序可以放在LUT中的任何一個Sequence位置，隻需要在FlexSPI->FLSHxCR2寄存器（x可取A1/A2/B1/B2，具體根據Flash引腳連接配接來定）中的ARDSEQID位指明讀通路時序在LUT中的位置(index)即可。
但是畢竟應用程式是由BootROM引導的，BootROM有自己的一套配置FlexSPI規則，它定死了CMD_LUT_SEQ_IDX_READ位置，即讀通路時序必須是FlexSPI->LUT[]中第一個Sequence，因為FlexSPI->FLSHxCR2[ARDSEQID]被BootROM配置成了0。是以我們在準備FDCB時，lookupTable中第一個Sequence必須放置讀通路時序。
再來看BootROM中的FlexSPI初始化函數，在外設子產品基本初始化 flexspi_init() 完成後，然後 flexspi_update_lut() 被調用去更新了一次LUT就直接結束了。這次的LUT更新其實僅僅是将FDCB裡的lookupTable[0] - lookupTable[3]（第一條Sequence） 填到 FlexSPI->LUT[0] - FlexSPI->LUT[3]裡。至于為何有時候你會看到FDCB裡lookupTable中不止一條Sequence，這個痞子衡後面另有文章再聊。
我們以i.MXRT官方EVK上配套的典型Flash型号IS25WP064AJBLE來實戰，下圖是該Flash的Fast Read Quad I/O Sequence，這個時序圖中指令序列、位址序列、Dummy序列的參數值是明确的，但模式序列、讀資料序列參數值并不明确，我們給它明确一下，模式序列中mode bits我們設為0x00（其實隻要不是0xAx均可），即 non-continuous read mode；讀資料序列中data out byte其實不可設（上面講過AHB通路下是由RX Buffer政策自動控制的），随便寫個非0值即可。
基于上面的真實Flash讀資料傳輸時序圖，我們在FDCB中lookupTable裡的對應設定應如下：
當我們放好了正确的FDCB，BootROM正常配置完FlexSPI，并啟動了應用程式後，CPU便開始按部就班從FlexSPI映射區域直接AHB通路去擷取應用程式指令，是不是每一次的CPU通路都會讓SEQ_CTL元件按LUT裡的設定發送一次讀通路時序呢？其實并不是！
我們知道i.MXRT系列會有L1 Cache，如果Flash某位址裡的指令内容緩存在L1 Cache裡，那麼目前CPU通路該Flash位址處的指令并不需要從Flash裡重新再擷取一次，CPU直接從cache裡便可以得到指令，此時SEQ_CTL不會工作。
即便L1 Cache裡沒有緩存到CPU所要指令，如果FlexSPI本身的Cacheable和Prefetch功能打開的話，AHB RX/TX Buffer裡可能也會緩存CPU所要指令。如果所需指令确實緩存在AHB Buffer裡，SEQ_CTL仍然不會工作。
僅當CPU所要指令是全新的，完全沒有緩存，SEQ_CTL才會真正開始工作，按LUT設定去發送讀資料通路時序給Flash。
前面講了，我們在lookupTable裡無法有效設定讀資料序列中data out byte，因為AHB通路下的一次讀取的長度是由RX Buffer政策控制的。在i.MXRT1050中AHB RX Buffer總大小為1KB，分為四個：AHB RX Buffer0 - AHB RX Buffer3，每個Buffer的大小都是可配的。具體配置在如下FlexSPI->AHBRXBUFxCR0寄存器裡：
BootROM使用了如下 flexspi_config_ahb_buffers() 函數配置了AHB Buffer，即開啟了FlexSPI的Prefetch功能，并且将前三個FlexSPI->AHBRXBUFxCR0[BUFSZ]全部設為了0（保留了FlexSPI->AHBRXBUF3CR0[BUFSZ]的預設配置，實際上這種情況等效于将四個RX Buffer全部置0），根據手冊，這種配置意味着僅啟用Buffer3作為唯一的RX Buffer（當Buffer3是唯一Buffer時，其BUFSZ設定是無效的，其真實大小永遠等于總Buffer大小），并且Buffer3大小為1KB。那麼我們現在知道了，在Prefetch開啟的情況下，SEQ_CTL工作一次就會讀取1KB資料。當然Prefetch功能是可以在應用程式裡被關掉的，如果Prefetch不使能，SEQ_CTL工作一次擷取的資料由AHB Burst Read政策決定（關于這個痞子衡會單獨寫一篇文章）。
至此，i.MXRT啟動頭FDCB裡的lookupTable痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~
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衡傑(痞子衡)，目前就職于恩智浦MCU系統部門，擔任嵌入式系統應用工程師。
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