預取技術(shù)是如何提升對Flash的AHB讀訪問效率的？

大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是實抓Flash信號波形來看i.MXRT的FlexSPI外設下AHB讀訪問情形。

上一篇文章 《實抓Flash信號波形來看i.MXRT的FlexSPI外設下AHB讀訪問情形（無緩存）》 里痞子衡抓取了Cache和Prefetch全部關(guān)閉下的AHB讀訪問對應的Flash端時序波形圖，相信大家對最基本的FlexSPI讀訪問支持有了感性認識。根據(jù)那篇文章我們知道，沒有緩存加持的Flash訪問，效率是相當?shù)偷摹?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%BA%94%E7%94%A8%E7%A8%8B%E5%BA%8F/">應用程序中對同一Flash地址空間的重復訪問，F(xiàn)lexSPI底層每次都機械似的再讀一次Flash，這就算了，甚至于代碼中的大數(shù)據(jù)塊的Flash讀訪問還會被拆分成多個不高于8byte的小數(shù)據(jù)塊訪問時序（每個CS有效期間前20個SCK周期都不是數(shù)據(jù)序列），這實在是浪費了太多時間（SCK周期）。

針對這種低效情況，F(xiàn)lexSPI模塊中集成了預?。≒refetch）技術(shù)，今天痞子衡就來繼續(xù)測一測開啟Prefetch功能下的Flash AHB讀訪問情形（注意本文不涉及內(nèi)核的L1 Cache技術(shù)）：

一、FlexSPI的預取功能

FlexSPI模塊內(nèi)部一共有4個AHB RX Buffer，總大小是1KB（針對i.MXRT1050而言），用戶可以自由配置這四個Buffer，這些AHB RX Buffer可以特殊指定給具體AHB master，并且還可以配置各自優(yōu)先級，具體可以查閱芯片參考手冊FlexSPI章節(jié)的 AHB RX Buffer Management 小節(jié)。

這些AHB RX Buffer就是專門為Prefetch功能準備的，有了AHB RX Buffer，F(xiàn)lexSPI模塊就可以在用戶程序代碼之上做些優(yōu)化工作。比如代碼中發(fā)生了Flash訪問操作，在一次CS有效周期內(nèi)FlexSPI直接按相應AHB RX Buffer長度來讀取數(shù)據(jù)緩存下來，而不是按照代碼中指定的讀取長度，這樣可以大大減少因AHB Burst Read策略導致的CS信號拆分情況，而且如果下次同一master要取的數(shù)據(jù)恰好在AHB RX Buffer里，F(xiàn)lexSPI就不用再重新去Flash里讀取數(shù)據(jù)了。

Prefetch功能說起來就上面那么簡單的一段話，但是細細分析這段話，其實還是有如下一些小疑問在里面的，這些疑問痞子衡將用測試結(jié)果來給你解答。

• 疑問1：發(fā)生預取操作時，AHB RX Buffer是從哪里開始緩存？一定是代碼里實際指定的Flash讀取操作起始地址嗎？疑問2：一旦發(fā)生了預取操作，一定是持續(xù)到當前AHB RX Buffer滿才會中止嗎？有沒有被打斷的可能性？

關(guān)于AHB RX Buffer的配置，有很多種不同的策略，痞子衡今天要測的主要是BootROM里啟用的一種最簡單直接的策略，即AHB RX Buffer 0 - 2全部關(guān)掉，僅啟用AHB RX Buffer 3，總1KB RX Buffer空間全部給這個AHB RX Buffer 3，所有master均通過AHB RX Buffer 3來訪問Flash，且訪問優(yōu)先級一致。

二、Prefetch實驗準備

參考文章 《實抓Flash信號波形來看i.MXRT的FlexSPI外設下AHB讀訪問情形（無緩存）》 里的第一小節(jié) 實驗準備，本次實驗需要做一樣的準備工作。

三、Prefetch實驗代碼

參考文章 《實抓Flash信號波形來看i.MXRT的FlexSPI外設下AHB讀訪問情形（無緩存）》 里的第二小節(jié) 實驗代碼，本次實驗代碼關(guān)于工程和鏈接文件方面是一樣的設置，但是具體測試函數(shù)改成如下ramfunc型函數(shù) test_prefetch_read()。關(guān)于Prefetch這次會有很多種不同測試，while(1)語句前的系統(tǒng)配置保持不變，while(1)里面的語句可根據(jù)實際測試情況去調(diào)整：

#if (defined(__ICCARM__))
#pragma optimize = none
__ramfunc 
#endif
void test_prefetch_read(void)
{
    // 系統(tǒng)配置
    /* Disable L1 I-Cache*/
    SCB_DisableICache();

    /* Disable L1 D-Cache*/
    SCB_DisableDCache();

    /* Enable FlexSPI AHB read prefetch */
    FLEXSPI->AHBCR |= (FLEXSPI_AHBCR_PREFETCHEN_MASK | FLEXSPI_AHBCR_CACHABLEEN_MASK);
    for (uint32_t index = 0; index < FLEXSPI_AHBRXBUFCR0_COUNT; index++)
    {
        FLEXSPI->AHBRXBUFCR0[index] &= ~(FLEXSPI_AHBRXBUFCR0_BUFSZ_MASK | FLEXSPI_AHBRXBUFCR0_MSTRID_MASK | FLEXSPI_AHBRXBUFCR0_PRIORITY_MASK);
    }

    while (1)
    {
        // 測試用例代碼，可按情況調(diào)整
    } 
}

四、Prefetch實驗結(jié)果

4.1 循環(huán)讀取同一數(shù)據(jù)塊（1KB以內(nèi)）

本系列測試用例沿用上一篇文章中特殊const數(shù)據(jù)區(qū).ahbRdBuffer設置，0x60002400 - 0x600027ff 空間的前16字節(jié)是指定的，后面區(qū)域就由IDE自由鏈接應用程序代碼數(shù)據(jù)，我們暫不需要在IO[1:0]信號上具體觀察這個區(qū)域的數(shù)據(jù)：

const uint8_t ahbRdBlock[16] @ ".ahbRdBuffer" = {
    0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x10, 0x11, 0x12, 0x13,
    0x20, 0x21, 0x22, 0x23, 0x30, 0x31, 0x32, 0x33,
};
// 在工程鏈接文件中
keep{ section .ahbRdBuffer };
place at address mem:0x60002400 { readonly section .ahbRdBuffer };

4.1.1 訪問首地址按八字節(jié)對齊

先來看最典型的測試，從八字節(jié)對齊地址 PREFETCH_TEST_START 處讀取 testLen 長度的數(shù)據(jù)，該函數(shù)里第一次memcpy語句的執(zhí)行便會觸發(fā)Prefetch機制，當 testLen 不大于 PREFETCH_TEST_MAX_LEN（1KB） 時，F(xiàn)lash端時序波形圖都是同一個，即僅產(chǎn)生一次CS低有效周期（后續(xù)循環(huán)執(zhí)行均從AHB RX Buffer直接取數(shù)據(jù)了），低有效持續(xù)時間約為65.2us，按SCK周期31.6ns來算，一共有2068個SCK周期，減去讀時序里固定前20個命令地址周期，剩2048個數(shù)據(jù)SCK周期（一個SCK周期傳輸4bit數(shù)據(jù)），即讀取1KB數(shù)據(jù)：

#define PREFETCH_TEST_ALIGNMENT  (0) // 可取值 8*n
#define PREFETCH_TEST_START      (0x60002400 + PREFETCH_TEST_ALIGNMENT)
#define PREFETCH_TEST_MAX_LEN    (0x400)
uint32_t testLen = 0x1;  // 可取值 1 - 0x400
void test_prefetch_read(void)
{
    // 略去系統(tǒng)配置
    testLen = (testLen > PREFETCH_TEST_MAX_LEN) ? PREFETCH_TEST_MAX_LEN : testLen;
    while (1)
    {
        memcpy((void *)0x20200000, (void *)PREFETCH_TEST_START, testLen);
    } 
}

4.1.2 訪問首地址非八字節(jié)對齊，長度小于1KB - 對齊字節(jié)

第二個測試是 PREFETCH_TEST_START 地址并非八字節(jié)對齊，這種情況下如果 testLen 不大于1KB - PREFETCH_TEST_ALIGNMENT，那么Flash端時序波形圖還是同一個，并且跟上一種測試情況結(jié)果是一樣的，均是讀取1KB數(shù)據(jù)。放大初始時序圖來看，代碼中實際Flash讀取起始地址是0x60002407，但是FlexSPI的Prefetch機制會將其按八字節(jié)向前對齊到0x60002400來讀?。▽嶋H傳輸時序里是0x002400三字節(jié)地址，輸出數(shù)據(jù)是0x00、0x01、0x02...），這也意味著AHB RX Buffer存儲的數(shù)據(jù)永遠是從八字節(jié)地址對齊處開始的（回答了第一節(jié)里的疑問1）。

#define PREFETCH_TEST_ALIGNMENT  (7) // 可取值 1 - 7
#define PREFETCH_TEST_START      (0x60002400 + PREFETCH_TEST_ALIGNMENT)
#define PREFETCH_TEST_MAX_LEN    (0x400 - PREFETCH_TEST_ALIGNMENT)
uint32_t testLen = 0x1;  // 可取值 1 - PREFETCH_TEST_MAX_LEN
void test_prefetch_read(void)
{
    // 略去系統(tǒng)配置
    testLen = (testLen > PREFETCH_TEST_MAX_LEN) ? PREFETCH_TEST_MAX_LEN : testLen;
    while (1)
    {
        memcpy((void *)0x20200000, (void *)PREFETCH_TEST_START, testLen);
    } 
}

4.2 循環(huán)讀取同一數(shù)據(jù)塊（大于1KB）

為了便于分辨IO[1:0]上的數(shù)據(jù)去幫助分析本系列測試用例結(jié)果，此處我們需要拓展下特殊const數(shù)據(jù)區(qū).ahbRdBuffer設置如下：

const uint8_t ahbRdBlock1[1024] @ ".ahbRdBuffer1" = {
    // 正順序
    0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x10, 0x11, 0x12, 0x13,
    0x20, 0x21, 0x22, 0x23, 0x30, 0x31, 0x32, 0x33,
    // 倒順序
    0x33, 0x32, 0x31, 0x30, 0x23, 0x22, 0x21, 0x20,
    0x13, 0x12, 0x11, 0x10, 0x03, 0x02, 0x01, 0x00,
};
const uint8_t ahbRdBlock2[1024] @ ".ahbRdBuffer2" = {
    // 正插序
    0x01, 0x00, 0x03, 0x02, 0x11, 0x10, 0x13, 0x12, 
    0x21, 0x20, 0x23, 0x22, 0x31, 0x30, 0x33, 0x32, 
    // 倒插序
    0x32, 0x33, 0x30, 0x31, 0x22, 0x23, 0x20, 0x21, 
    0x12, 0x13, 0x10, 0x11, 0x02, 0x03, 0x00, 0x01, 
};
// 在工程鏈接文件中
keep{ section .ahbRdBuffer1, section .ahbRdBuffer2 };
place at address mem:0x60002400 { readonly section .ahbRdBuffer1 };
place at address mem:0x60002800 { readonly section .ahbRdBuffer2 };

4.2.1 訪問首地址按八字節(jié)對齊

第三個測試是從八字節(jié)對齊地址 PREFETCH_TEST_START 處讀取 testLen 長度的數(shù)據(jù)，testLen大于1KB，這種情況下我們在Flash端看到了周期性的波形圖，這說明1KB的AHB RX Buffer不足以緩存此時代碼里的數(shù)據(jù)訪問需求，因此AHB RX Buffer被不斷地清除和重新緩存。放大時序圖來看，一個完整周期內(nèi)，第一個CS有效期間讀取了0x60002400開始的1KB數(shù)據(jù)，第二個CS有效期間讀取了0x60002800開始的15個字節(jié)數(shù)據(jù)（總有效時間1.55us），痞子衡知道你肯定覺得奇怪，測試testLen設的是0x401，為何第二個CS期間Prefetch機制緩存的是15個字節(jié)？既不是1KB，也不是1byte。這其實是因為第二次CS有效期間的Prefetch操作被下一次while(1)回來的數(shù)據(jù)訪問需求打斷了，所以這意味著一旦Prefetch操作被使能，Prefetch機制會嘗試緩存到填滿AHB RX Buffer，但如果在Buffer滿之前有全新的數(shù)據(jù)訪問需求發(fā)生，當前Prefetch操作會被中止，Buffer清空，重新開始下一次Prefetch操作（這里回答了第一節(jié)里的疑問2）。

#define PREFETCH_TEST_ALIGNMENT  (0) // 可取值 8*n
#define PREFETCH_TEST_START      (0x60002400 + PREFETCH_TEST_ALIGNMENT)
#define PREFETCH_TEST_MIN_LEN    (0x400)
uint32_t testLen = 0x401;  // 可取值 0x401 - 0x800
void test_prefetch_read(void)
{
    // 略去系統(tǒng)配置
    testLen = (testLen <= PREFETCH_TEST_MIN_LEN) ? (PREFETCH_TEST_MIN_LEN + testLen) : testLen;
    while (1)
    {
        memcpy((void *)0x20200000, (void *)PREFETCH_TEST_START, testLen);
    } 
}

基于上面的分析，我們追加一個實驗，在memcpy語句后面加一點軟延時，保證第二次CS有效期間Prefetch操作有足夠的時間去將AHB RX Buffer填滿，我們知道1KB的Flash數(shù)據(jù)讀取約耗時65.2us，我們就延時70us以上試試看，果然這次看到第二個CS也同樣持續(xù)了65.2us。

void test_prefetch_read(void)
{
    // 略去系統(tǒng)配置
    while (1)
    {
        memcpy((void *)0x20200000, (void *)0x60002400, 0x401);
        SDK_DelayAtLeastUs(70, SystemCoreClock);
    } 
}

4.2.2 訪問首地址非八字節(jié)對齊

第四個測試是從非八字節(jié)對齊地址處讀取超過 1KB 長度的數(shù)據(jù)，結(jié)合4.1節(jié)的測試結(jié)果，我們可以將代碼中的實際語句 memcpy((void *)0x20200001, (void *)0x60002401, 0x401); 做等效轉(zhuǎn)換為 memcpy((void *)0x20200000, (void *)0x60002400, 0x402);，這里就不多貼結(jié)果圖了。

void test_prefetch_read(void)
{
    // 略去系統(tǒng)配置
    while (1)
    {
        memcpy((void *)0x20200001, (void *)0x60002401, 0x401);
        // 從Flash端信號傳輸來看，幾乎等效于如下語句
        //memcpy((void *)0x20200000, (void *)0x60002400, 0x402);
    } 
}

4.3 循環(huán)讀取兩個不同數(shù)據(jù)塊（1KB以內(nèi)）

最后一個實驗是循環(huán)讀取兩個不連續(xù)數(shù)據(jù)塊，有了前面的測試結(jié)果，這個測試的結(jié)果也在意料之中了，每個CS持續(xù)時間約17us（大約537個SCK周期），實際傳輸略多于256個byte的數(shù)據(jù)，這也是符合Prefetch操作會被中止的分析的。如果想看到完整的1KB緩存，memcpy后需要插入至少48.2us以上的軟延時。

void test_prefetch_read(void)
{
    // 略去系統(tǒng)配置
    while (1)
    {
        memcpy((void *)0x20200000, (void *)0x60002400, 0x100);
        memcpy((void *)0x20200400, (void *)0x60002800, 0x100);
    } 
}

至此，實抓Flash信號波形來看i.MXRT的FlexSPI外設下AHB讀訪問情形痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~