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串行NAND Flash的兩大特性導緻其在i.MXRT FlexSPI下無法XiP。
在嵌入式世界裡，當我們提起XiP裝置（支援代碼原地執行的存儲器），首先想到的應該是NOR Flash。比如中低端MCU内部通常會內建小容量并行NOR Flash（一般2MB以内），用于存放應用程式；而高性能MCU，往往内部不會內建Flash，需要在闆級設計時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系列屬于高性能MCU，需要外挂Flash。i.MXRT本身可以支援串/并行NOR、串/并行NAND四類裝置作為啟動裝置，但在官方參考設計闆EVK上，推薦的都是串行NOR Flash型号。官方沒有推薦并行NOR/NAND，這是可以了解的，畢竟相比串行接口Flash，引腳占用略多，這對I/O資源緊張的MCU項目來說不太讨喜。那官方為何不推薦串行NAND作為啟動裝置呢？這主要是串行NAND在i.MXRT下無法XiP，這對項目軟體設計來說有一些限制。NAND無法XiP的原因有兩點，既跟NAND自身特性有關，也跟FlexSPI外設特性有關，且聽痞子衡細說：
我們知道在i.MXRT中是FlexSPI外設負責實作串行NOR/NAND Flash裝置的讀寫通路支援，痞子衡寫過一篇文章 《從頭開始認識i.MXRT啟動頭FDCB裡的lookupTable》，文章詳述了FlexSPI是如何通過lookupTable來支援串行NOR Flash裝置XiP啟動的（這裡主要是讀通路支援）。
在lookupTable設計裡，其實AHB讀通路并不是NOR Flash裝置的專利，或者這麼說，FlexSPI外設本身并不在乎連接配接得是什麼類型的裝置，它就是完全根據使用者在lookupTable裡填入的指令時序按部就班工作而已。
對于四線QSPI NOR，僅需要在lookupTable裡填入一條指令時序（Read有很多種，但都能在一條Sequence裡實作）就可以支援AHB讀。而HyperFlash、HyperRAM和串行NAND等裝置，lookupTable裡一條指令時序搞不定完整讀操作，需要多條指令時序組合完成。
FlexSPI外設支援在lookupTable中聯合多條指令時序去實作AHB讀，通過FlexSPI->FLSHxxCR2寄存器裡的如下兩處功能位來實作。ARDSEQID位指明讀通路時序在lookupTable中的起始位置(index)，ARDSEQNUM位指明讀通路時序共占用幾條指令時序（這也意味着幾條指令時序要按序放在一起）。
比如Micron MT29FxG01串行NAND系列，就需要如下三條指令時序（Page Read + Get Feature + Random Data Read）組合完成讀操作。但是理想很豐滿，現實卻骨感，即使組合這三條指令時序也無法在FlexSPI下實作NAND的XiP。
實際應用時，對于NAND的讀通路，都是在程式代碼中先通過IPCMD方式手動發送Page Read和Get Feature指令，然後借助lookupTable中的Random Data Read指令實作僅一個Page空間大小的AHB讀，做不到全部NAND空間的自動AHB讀（當然如果你覺得一個Page空間的AHB讀太雞肋，完全可以直接用IPCMD方式去讀Page資料）。
Note: 關于NAND僅一個Page空間的AHB讀支援再作下詳細解釋。比如NAND的Page大小為2KB，那麼系統裡僅需給NAND配置設定0x60000000 - 0x600007FF的AHB映射空間，每次對這個空間進行AHB讀之前，都需要先通過IPCMD發送Page Read和Get Feature，確定NAND處于Page資料輸出的Ready狀态，底下FlexSPI就可以完成這個Page内的任意AHB讀通路支援。而一旦切到新Page通路，需要重複上述過程，是以NAND所有Page的通路都可以在這個2KB的映射空間裡完成的。
到底串行NAND的什麼特性阻礙了XiP，現在痞子衡來揭秘，在揭秘前大家先看一下痞子衡的舊文 《Raw NAND簡介》，先對NAND型Flash有個初步了解。下面痞子衡以Micron MT29FxG01型号串行NAND為例介紹其阻礙XiP的兩大特性：
凡是NAND型Flash都繞不開壞塊（Bad Block）問題，這也是NAND Flash差別于NOR Flash的一個重要特點。NAND技術上允許壞塊的存在，這降低了NAND生産工藝要求，是以NAND機關容量價格比NOR低。
NAND内部按粒度從大到小劃分依次為Plane、Block、Page、Byte（如下圖所示），因為壞塊導緻了一些Block無法有效存儲資料，這些Block會被标記拉黑，是以從主裝置通路角度來看，NAND中的資料并不是按位址連續存儲的，壞塊占據的位址均為無效位址，這就是所謂的非線性存儲，而非線性儲存設備顯然無法作為XiP裝置。
非線性存儲器，對于寫入操作，無法保證應用程式一定放在指定連結的位址（即在Flash中的對應偏移位址），寫入過程中遇到壞塊，會跳過壞塊，而那些壞塊占據的無效位址極有可能就是應用程式實際連結位址。
我們現在假設一種理想情況，NAND中不存在任何壞塊，可以強行把NAND當作線性儲存設備，這種情況下是不是就可以被用作XiP裝置了呢？很遺憾，FlexSPI外設還是不能正面支援（有替代方法來支援）。
我們來看串行NAND的完整讀時序，0x13（Page Read）是FlexSPI發送的第一個指令，用于通知NAND主裝置想要通路Page了，随後發送列位址，指明要讀的Page位置，此時NAND便會将内部狀态寄存器裡Busy位标志起來并進入忙狀态。
在忙狀态時間裡，NAND會從記憶體塊裡将指定的Page資料全部拷貝到臨時緩存區（Cache memory），對這一整個Page資料進行ECC校驗，校驗完成後将狀态寄存器裡相應ECC标志起來以及将Busy位清除掉，然後結束忙狀态，進入資料輸出準備狀态。
由于不知道NAND什麼時候會結束忙狀态，是以FlexSPI需要不斷發送0x0F（Get Feature指令）去讀取狀态寄存器的值，直到狀态寄存器裡Busy位被清零才能去讀取Page資料，這種邏輯判斷行為在lookupTable裡無法自動實作（NOR讀時序裡無需邏輯判斷）。
如果特意省略讀狀态寄存器的步驟，避免邏輯判斷行為，在lookupTable直接填入Dummy周期來代替行不行呢？理論上倒是可以的。我們來算一下，比如NAND典型的50MHz時鐘頻率，一個Dummy Cycle周期耗時20ns，NAND Page Read等待典型值是45us，即2250個Dummy Cycle，lookupTable有16條Sequence，每個Seqence支援8個instruction，每個instruction如果都設為DUMMY_SDR，參數設最大255，則9個instruction就能滿足這個等待時間。
但即使這麼做能勉強實作NAND Flash的XiP，代碼實際執行效率也是非常低下的，畢竟涉及到跨Page的指令長跳轉（暫不讨論Cache因素）就需要等待45us，這在嵌入式世界裡是不短的時間，系統實時性無法保證，又有什麼意義呢？
至此，串行NAND Flash的兩大特性導緻其在i.MXRT FlexSPI下無法XiP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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