痞子衡嵌入式：恩智浦i.MX RT1xxx系列MCU启动那些事（8.A）- SEMC NAND启动时间(RT1170)

　　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恩智浦i.MX RT1170 Raw NAND启动时间。

　　关于i.MXRT1170这颗划时代的MCU，痞子衡去年10月在其刚发布的时候，专门写过一篇文章介绍过其特点（详见《终于可以放开聊一聊i.MXRT1170这颗划时代MCU了》），眼看着其上市日期越来越近了，恩智浦软硬件技术支持团队也正在紧锣密鼓地开发SDK以及参考设计。因为官方首次在i.MXRT1170 EVK板上（Rev.B）放了一片旺宏的Raw NAND芯片（MX30LF2GE8AB-XKI），而i.MXRT当然是支持从Raw NAND启动的，因此痞子衡打算为大家测一测Raw NAND的启动时间（这里指在ITCM执行，暂不考虑在SDRAM执行）。

一、准备工作

1.1 知识储备

　　在开始测试之前，你需要认真读一下痞子衡的旧文《恩智浦i.MX RT1xxx系列MCU启动那些事（8）- 从Raw NAND启动》，对i.MXRT从Raw NAND启动的原理有一个充分认识。

　　Raw NAND启动不同于你最熟悉的Serial NOR启动，由于NAND访问的特殊性（仅能按Page读，且允许坏块），因此其仅支持Non-XIP Application（即需要把Application image从NAND中全部拷贝出来，放到RAM中执行），无法原地执行。这个拷贝工作就由芯片内部的BootROM来完成，为了让BootROM顺利完成拷贝工作，我们需要在NAND中放一些特殊数据（即下面的FCB, DBBT, IVT）。

　　FCB永远放在NAND的第一个block里的固定位置，BootROM首先从NAND中读取FCB（此时是利用eFuse 0x940和0xC80里的简化时序配置选项），FCB中含有三类信息：用户设置的完整时序配置数据(可选的)、DBBT位置，IVT位置。BootROM首先会检查是否存在完整时序配置数据，如果有，则使用这个数据重新配置NAND访问时序。然后BootROM会继续获取DBBT数据，获知当前NAND的坏块信息，接下来便是根据IVT信息获取Application数据完成拷贝（拷贝过程中需要避开坏块）。

1.2 时间界定

　　说到启动时间的界定，其实无非是找到时间起点以及时间终点。
　　时间起点很好办，根据i.MXRT1170芯片POR信号变化即可（下图中的RST_TGTMCU_B的上升沿），也就是芯片开始上电为起点。

　　时间终点稍微有点难办，如果监测Raw NAND信号（比如CE#最后一个上沿）有点难抓，也不够精准，毕竟BootROM拷贝完所有Application image数据后是否还会做一些校验工作才会跳转不得而知，所以还是以执行到Application为准。到了Application的执行就简单了，在Application里加个GPIO翻转（比如点灯）即可，我们只需抓取这个GPIO的信号变化（抓下图中R1855的上升沿）。

1.3 制作应用程序

　　现在我们开始制作测试用的Non-XIP Application，以\SDK_xxx_MIMXRT1170-EVK\boards\evkmimxrt1170\demo_apps\led_blinky\cm7\下的工程为基础，但需要做一些修改。

　　痞子衡以IAR工程示例，首先需要选中debug build（release也行），这个build即是在ITCM中执行的Non-XIP版本，而且其链接文件里的m_interrupts_start也需要从0x00000000修改为0x00002000（这里如果不明白的话，继续回去看痞子衡写的Raw NAND启动文章）。

　　这个工程里的led_blinky.c里已经有GPIO翻转代码了，但是位置在main()函数里，为了得到尽量准确的启动时间，我们应该把GPIO翻转的代码提前，下面是程序Reset_Handler代码，原则上我们应该要在这里加汇编，但是为了简单起见，我们也可以在SystemInit()函数里加C代码（痞子衡认为在data/bss段初始化之前就可以了）。

        PUBWEAK Reset_Handler
        SECTION .text:CODE:REORDER:NOROOT(2)
Reset_Handler
        CPSID   I               ; Mask interrupts
        LDR     R0, =0xE000ED08
        LDR     R1, =__vector_table
        STR     R1, [R0]
        LDR     R2, [R1]
        MSR     MSP, R2
        LDR     R0, =SystemInit
        BLX     R0
        CPSIE   I               ; Unmask interrupts
        LDR     R0, =__iar_program_start
        BX      R0

　　编译后可以得到一个17732 bytes的Application（可以生成.srec格式，方便后面下载），但是我们知道Raw NAND启动时间跟Application长度是成正比的（主要耗时就是在拷贝上），所以我们还需要再制作一个稍微大一些的Application，可以直接在代码里加上如下const数组定义，并且在IAR的Option/Linker/Input里的Keep symbols里加上s_dummyBuffer，防止这个数组被优化掉。

const uint8_t s_dummyBuffer[1024*230] = {0};

1.4 下载应用程序

　　应用程序的下载需借助痞子衡开发的NXP-MCUBootUtility工具（v2.2版本及以上），将i.MXRT启动模式设到SDP模式（EVK上SW1拨码开关设为4'b0001），然后给板子上电。软件的使用不予赘述，NAND具体配置如下即可，后面的测试我们只需要更改ONFI Timing Mode这一个参数。

Note: 这个工具会自动生成FCB（包含完整NAND时序配置）, DBBT， IVT并将其和Application一起下载进Raw NAND中

　　程序下载完成后，将i.MXRT启动模式设到Internal Boot模式（EVK上SW1拨码开关设为4'b0010），并且将启动设备设为Raw NAND（EVK上SW2拨码开关设为10'b0000010000），断电重启你应该就可以看到LED灯会亮，这代表Raw NAND启动成功了。

1.5 示波器抓取信号

　　一切准备就绪，可以用示波器抓Raw NAND启动时间了。除了通道一监测POR信号，通道三监测LED GPIO信号，为了更直观地看启动过程，痞子衡特地加了通道二来监测NAND_CE#信号，这样可以看到Application拷贝过程。

二、开始测试

2.1 影响因素

2.1.1 App长度

　　App的长度是影响启动时间的第一因素。痞子衡在前面 1.3节制作应用程序里，已经制作了两个不同长度的App用于测试。

2.1.2 NAND访问模式

　　NAND访问模式是影响启动时间的第二因素。SEMC支持的NAND访问模式一共两种，分别是IPG CMD模式和AXI CMD模式，前者是应用程序手动发命令去一次读取4byte数据到SEMC数据寄存器，然后再从寄存器中取数据；后者是应用程序访问指定的AXI空间（假定也是取4byte），由SEMC自动发命令读取4byte并放到对应AXI映射空间里。

　　NXP-MCUBootUtility工具里所依赖的flashloader固定使用IPG CMD模式，因此想切换到AXI CMD模式，需要从SDK/middleware/mcu-boot中获取flashloader源码，修改源码（在semc_nand_mem_config()函数中做如下修改）后重新编译使用。

　　使用修改后的flashloader程序下载完成Application之后，需要在回读的image数据中偏移0x109的地址查看数据（0x01代表AXI，0x00代表IPG）。

　　痞子衡继续使用示波器抓取NAND_RE#信号如下：
　　这是IPG CMD模式下的时序（ONFI timing mode5）：

　　这是AXI CMD模式下的时序（ONFI timing mode5）：

　　从上述时序上看，AXI CMD模式读取数据明显比IPG CMD模式更高效，每4byte访问之后的间隔时间大大缩短。

2.1.3 ONFI Timing Mode

　　ONFI Timing Mode是影响启动时间的第三因素。NXP-MCUBootUtility工具中支持更改ONFI Timing Mode（主要是将设置写进FCB），痞子衡查了下EVK板上这颗NAND芯片，能支持mode0 - mode5一共6种模式，我们就先来看看最慢的mode0和最快的mode5是否设置生效。在程序下载完成之后，需要在回读的image数据中偏移0x153的地址查看数据（0x01代表mode0，0x06代表mode5）。

　　Raw NAND访问是通过SEMC模块实现的，SEMC一次会从NAND读取4byte放到内部32bit数据寄存器中，痞子衡使用示波器抓取NAND_RE#信号如下：
　　这是ONFI Timing Mode0下的时序：

　　这是ONFI Timing Mode5下的时序：

　　从上述时序上看，ONFI Timing Mode设置是生效的，mode5耗时确实比mode0短一些，与ONFI 1.0手册里规定的数值基本是吻合的。

2.2 测试结果

　　前面分析完了影响因素，现在到了公布结果的时候了，痞子衡基于前面的影响因子组合一共做了8个测试，结果如下表所示。总之一句话，想要最快的启动时间，设为AXI访问模式以及ONFI Timing Mode5即可，另外如果对启动时间敏感（比如Auto应用），不妨做两级启动（Boot+App），Boot尽量小，App可以很大，Boot起来之后去做一些启动任务（响应CAN，点亮LCD屏），然后由Boot再去慢慢加载App。

NAND访问模式	ONFI时序模式	Application长度	启动时间
IPG CMD	mode 0 - 10MHz	17732 bytes	40.58ms
IPG CMD	mode 5 - 50MHz	17732 bytes	38.90ms
IPG CMD	mode 0 - 10MHz	253252 bytes	172.3ms
IPG CMD	mode 5 - 50MHz	253252 bytes	164.3ms
AXI CMD	mode 0 - 10MHz	17732 bytes	32.8ms
AXI CMD	mode 5 - 50MHz	17732 bytes	32.6ms
AXI CMD	mode 0 - 10MHz	253252 bytes	104.9ms
AXI CMD	mode 5 - 50MHz	253252 bytes	78.86ms