Flash的DTR模式藏著什么玄機？

大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是在FDCB里使能串行NOR Flash的DTR模式。

前兩篇文章 《IS25WP系列Dummy Cycle設置》 與 《IS25LP系列Dummy Cycle設置》， 痞子衡均是設置Flash的Fast Read Quad I/O SDR模式去啟動的，但最近在恩智浦官方論壇上，有不止一個客戶需要使能Flash的DTR模式去啟動，他們似乎都遇到了小問題，難道DTR模式藏著什么玄機？走，跟痞子衡去瞧瞧：

一、什么是DTR模式？

DTR是Dual Transfer Rate的縮寫，即在時鐘信號SCK的雙邊沿均觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。DTR有時候跟另一個名詞DDR會混用，DDR是Double Data Rate的縮寫，反正這兩個名詞均表示雙邊沿觸發(fā)的意思，跟SDR單邊沿觸發(fā)相比快了一倍（同等SCK頻率下而言）。下面痞子衡結合i.MXRT的FlexSPI外設來對比介紹SDR模塊與DDR模式的區(qū)別：

1.1 FlexSPI的DTR輸入輸出

下圖是FlexSPI的輸入時序圖（FlexSPI從Flash讀取存儲數(shù)據(jù)）。左邊是SDR模式，可以看到FlexSPI是在DQS的下沿才會去鎖存一次SIO上的數(shù)據(jù)。右邊是DDR模式，F(xiàn)lexSPI外設在DQS的上沿和下沿都會去鎖存一次SIO上的數(shù)據(jù)。注意不管是SDR模塊還是DDR模式，DQS信號都是與SCK同頻的。

Note: 關于DQS信號的意義，可以去看痞子衡的舊文 《串行NOR Flash的DQS信號功能簡介》，F(xiàn)lexSPI外設的DQS信號既可以來自真實的Flash器件輸出，也可以從i.MXRT的DQS引腳loopback（回環(huán)）。

再來看FlexSPI的輸出時序圖（FlexSPI給Flash發(fā)送地址，模式等）。左邊是SDR模式，F(xiàn)lash器件應在SCK的上沿去鎖存DATA (SIO)上的數(shù)據(jù)。右邊是DDR模式，F(xiàn)lash器件需要在SCK的上沿和下沿都去鎖存DATA (SIO)上的數(shù)據(jù)。

1.2 Fast Read Quad I/O DTR時序

了解了SDR與DDR模式區(qū)別，我們再來看LUT里Quad I/O Read DDR傳輸序列，它由CMD_SDR + RADDR_DDR + MODE8_DDR + DUMMY_DDR + LEARN_DDR（可選） + READ_DDR + STOP七個子序列組成，如下表所示。

Note: 特別注意，雖然存在CMD_DDR子序列，但Quad I/O Read DDR傳輸下發(fā)送命令規(guī)定使用CMD_SDR子序列。

從引腳信號上來看，完整Quad I/O Read DDR傳輸時序如下圖所示。下圖是以兩片四線S25FS512S組parallel mode（八線）來示例的。如果是常見的individual mode，我們僅關注PCSA1相關的信號時序即可。

1.3 DTR下實際Dummy Cycle輸出與LUT中設定值關系

從Flash器件端來看，實際Dummy Cycle輸出數(shù)是跟SCK信號周期數(shù)一一對應的。在SDR模式下，在Dummy Cycle序列時間內，有多少個SCK周期，即是有多少個Dummy Cycle數(shù)，填進LUT的Dummy Cycle也是這個值，這個沒有疑義。那么在DDR模式，填入LUT的Dummy Cycle值與SCK周期數(shù)是什么關系呢？翻看FlexSPI章節(jié)，在LUT指令集表格里有答案，此時Dummy Cycle值應該是實際SCK周期數(shù)的2倍（可能有+/-1，需要看Flash手冊），這是因為LUT中Dummy Cycle值是與FlexSPI外設端的Serial Root Clk數(shù)一一對應的：在SDR模式下，Serial Root Clk周期等于SCK周期；而在DDR模式下，Serial Root Clk周期只有SCK周期的一半。

1.4 DTR下支持的最高SCK頻率

上面在講Dummy Cycle值的時候提到了Serial Root Clk概念，這個其實就是FlexSPI模塊本身的工作時鐘，目前已量產(chǎn)的i.MXRT型號（包括i.MXRT1010/1020/1050/1060/1170），其FLEXSPI_CLK_ROOT最高頻率均是332MHz（下表來自i.MXRT1050系列手冊）。

在332MHz FLEXSPI_CLK_ROOT頻率下，DTR模式SCK頻率理論上最高可以到166MHz，這個沒有疑義。但是SDR模式SCK頻率理論上最高也是166MHz，因為SDR模式下，只保證了在166MHz FLEXSPI_CLK_ROOT頻率下時序可靠（別問，問就是FlexSPI就是這么設計的）。

具體SCK能配到多高的頻率跟FlexSPI模塊一個寄存器的配置值有關，即FlexSPI->MCR0[RXCLKSRC]，RXCLKSRC配置的是DQS信號的來源，DQS信號一共有三種來源：無DQS自回環(huán)（支持的SCK頻率最低），有DQS自回環(huán)（支持的SCK頻率升高），來自外部Flash器件的DQS引腳（支持的SCK頻率最高）。

那么RXCLKSRC三種配置下，SCK分別能達到多高頻率呢？這需要查看i.MXRT芯片的datasheet，在 FlexSPI input/read timing 小節(jié)里有詳細介紹，痞子衡整理如下：

二、在客戶問題中實戰(zhàn)

了解了上面DTR模式基礎知識后，我們去恩智浦官方論壇找兩個相關問題實踐一下。

2.1 Flash型號IS25LP064A

先來看第一個問題 《i.MX RT1021 + IS25LP064A XIP flash in DDR mode settings》，這個客戶使用的Flash型號是IS25LP064A，客戶已經(jīng)修改了FDCB頭，但是他犯了一個比較嚴重的錯誤，他使用了CMD_DDR來發(fā)送命令而不是CMD_SDR，這顯然不符合Flash時序規(guī)范。

此外，該款Flash在DTR模式下最高能支持到66MHz，客戶在FDCB里配置SCK頻率為 kFlexSpiSerialClk_60MHz 是沒問題的，這個速度下DTR模式需要4個SCK周期做Dummy Cycle，F(xiàn)lash器件里的默認值3按說不符合要求，但實測啟動也沒問題。

下面痞子衡給一個適用的FDCB頭（50MHz SCK，DTR模式，LUT里等效Dummy Cycle值是0x2 + 0x4，即6個Dummy Cycle）。想同步修改Flash器件里的Dummy Cycle值去規(guī)范地調高SCK頻率到60MHz，請參考 《IS25LP系列Dummy Cycle設置》。

const?flexspi_nor_config_t?qspiflash_config?=?{
????.memConfig?=
????????{
????????????.tag??????????????=?FLEXSPI_CFG_BLK_TAG,
????????????.version??????????=?FLEXSPI_CFG_BLK_VERSION,
????????????//?設置?FlexSPI->MCR0[RXCLKSRC]?為?1
????????????.readSampleClkSrc?=?kFlexSPIReadSampleClk_LoopbackFromDqsPad,
????????????.csHoldTime???????=?3u,
????????????.csSetupTime??????=?3u,
????????????//?使能?DDR?模式
????????????.controllerMiscOption?=?kFlexSpiMiscOffset_DdrModeEnable?|?kFlexSpiMiscOffset_SafeConfigFreqEnable,
????????????.sflashPadType????=?kSerialFlash_4Pads,
????????????//?設置?DDR?模式下工作頻率
????????????.serialClkFreq????=?kFlexSpiSerialClk_50MHz,
????????????.sflashA1Size?????=?8u?*?1024u?*?1024u,
????????????.lookupTable?=
????????????????{
????????????????????//?Read?LUTs
????????????????????[4*CMD_LUT_SEQ_IDX_READ]?????=?FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR,???FLEXSPI_1PAD,?0xED,?RADDR_DDR,?FLEXSPI_4PAD,?0x18),
????????????????????//?MODE8_DDR子序列等效2個cycle，DUMMY_DDR子序列里還需設置4個cycle，總計3個SCK周期
????????????????????[4*CMD_LUT_SEQ_IDX_READ?+?1]?=?FLEXSPI_LUT_SEQ(MODE8_DDR,?FLEXSPI_4PAD,?0x00,?DUMMY_DDR,?FLEXSPI_4PAD,?0x04),
????????????????????[4*CMD_LUT_SEQ_IDX_READ?+?2]?=?FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_DDR,??FLEXSPI_4PAD,?0x04,?STOP,??????FLEXSPI_1PAD,?0x00),
????????????????},
????????},
????.pageSize???????????=?256u,
????.sectorSize?????????=?4u?*?1024u,
????.blockSize??????????=?64u?*?1024u,
????.isUniformBlockSize?=?false,
};

2.2 Flash型號IS25WP064D

再來看第二個問題 《i.MX RT106x + IS25WP064D QSPI DDR mode》，這個客戶使用的Flash型號是IS25WP064D，客戶也修改好了FDCB頭，由于Flash器件本身最高能支持80MHz DTR模式，于是這個客戶就想在FDCB里將SCK頻率設為 kFlexSpiSerialClk_80MHz，但是Flash本身沒有DQS信號，F(xiàn)lexSPI端僅能從DQS引腳loopback，這種情況下FlexSPI最高僅能支持66MHz DTR，這顯然不符合FlexSPI規(guī)范。

痞子衡特別注意到，這款IS25WP064D與上一個客戶用的IS25LP064A在時序上尤其是Dummy Cycle上有明顯的區(qū)別。同樣SCK頻率下，IS25LP064A下SDR與DDR模式的Dummy Cycle是兩倍關系，但是IS25WP064D下SDR與DDR模式的Dummy Cycle數(shù)是一樣的。

IS25WP064D默認6個Dummy Cycle下對應最高DTR工作頻率是69MHz，這已經(jīng)達FlexSPI外設最高支持的DTR頻率上限了，因此不需更改Flash里的Dummy Cycle設置了。

下面痞子衡給一個適用的FDCB頭（60MHz SCK，DTR模式，LUT里等效Dummy Cycle值是0x2 + 0xa，即12個Dummy Cycle）。

const?flexspi_nor_config_t?qspiflash_config?=?{
????.memConfig?=
????????{
????????????.tag??????????????=?FLEXSPI_CFG_BLK_TAG,
????????????.version??????????=?FLEXSPI_CFG_BLK_VERSION,
????????????//?設置?FlexSPI->MCR0[RXCLKSRC]?為?1
????????????.readSampleClkSrc?=?kFlexSPIReadSampleClk_LoopbackFromDqsPad,
????????????.csHoldTime???????=?3u,
????????????.csSetupTime??????=?3u,
????????????//?使能?DDR?模式
????????????.controllerMiscOption?=?kFlexSpiMiscOffset_DdrModeEnable?|?kFlexSpiMiscOffset_SafeConfigFreqEnable,
????????????.sflashPadType????=?kSerialFlash_4Pads,
????????????//?設置?DDR?模式下工作頻率
????????????.serialClkFreq????=?kFlexSpiSerialClk_60MHz,
????????????.sflashA1Size?????=?8u?*?1024u?*?1024u,
????????????.lookupTable?=
????????????????{
????????????????????//?Read?LUTs
????????????????????[4*CMD_LUT_SEQ_IDX_READ]?????=?FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR,???FLEXSPI_1PAD,?0xED,?RADDR_DDR,?FLEXSPI_4PAD,?0x18),
????????????????????//?MODE8_DDR子序列等效2個cycle，DUMMY_DDR子序列里還需設置10個cycle，總計6個SCK周期
????????????????????[4*CMD_LUT_SEQ_IDX_READ?+?1]?=?FLEXSPI_LUT_SEQ(MODE8_DDR,?FLEXSPI_4PAD,?0x00,?DUMMY_DDR,?FLEXSPI_4PAD,?0x0a),
????????????????????[4*CMD_LUT_SEQ_IDX_READ?+?2]?=?FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_DDR,??FLEXSPI_4PAD,?0x04,?STOP,??????FLEXSPI_1PAD,?0x00),
????????????????},
????????},
????.pageSize???????????=?256u,
????.sectorSize?????????=?4u?*?1024u,
????.blockSize??????????=?64u?*?1024u,
????.isUniformBlockSize?=?false,
};

至此，在FDCB里使能串行NOR Flash的DTR模式痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~