预取技术是如何提升对Flash的AHB读访问效率的？

撞上电子 · 发表于 2021-5-8 22:48:00

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实抓Flash信号波形来看i.MXRT的FlexSPI外设下AHB读访问情形。
上一篇文章《实抓Flash信号波形来看i.MXRT的FlexSPI外设下AHB读访问情形（无缓存）》里痞子衡抓取了Cache和Prefetch全部关闭下的AHB读访问对应的Flash端时序波形图，相信大家对最基本的FlexSPI读访问支持有了感性认识。根据那篇文章我们知道，没有缓存加持的Flash访问，效率是相当低的。应用程序中对同一Flash地址空间的重复访问，FlexSPI底层每次都机械似的再读一次Flash，这就算了，甚至于代码中的大数据块的Flash读访问还会被拆分成多个不高于8byte的小数据块访问时序（每个CS有效期间前20个SCK周期都不是数据序列），这实在是浪费了太多时间（SCK周期）。
针对这种低效情况，FlexSPI模块中集成了预取（Prefetch）技术，今天痞子衡就来继续测一测开启Prefetch功能下的Flash AHB读访问情形（注意本文不涉及内核的L1 Cache技术）：
一、FlexSPI的预取功能FlexSPI模块内部一共有4个AHB RX Buffer，总大小是1KB（针对i.MXRT1050而言），用户可以自由配置这四个Buffer，这些AHB RX Buffer可以特殊指定给具体AHB master，并且还可以配置各自优先级，具体可以查阅芯片参考手册FlexSPI章节的 AHB RX Buffer Management 小节。
这些AHB RX Buffer就是专门为Prefetch功能准备的，有了AHB RX Buffer，FlexSPI模块就可以在用户程序代码之上做些优化工作。比如代码中发生了Flash访问操作，在一次CS有效周期内FlexSPI直接按相应AHB RX Buffer长度来读取数据缓存下来，而不是按照代码中指定的读取长度，这样可以大大减少因AHB Burst Read策略导致的CS信号拆分情况，而且如果下次同一master要取的数据恰好在AHB RX Buffer里，FlexSPI就不用再重新去Flash里读取数据了。
Prefetch功能说起来就上面那么简单的一段话，但是细细分析这段话，其实还是有如下一些小疑问在里面的，这些疑问痞子衡将用测试结果来给你解答。
疑问1：发生预取操作时，AHB RX Buffer是从哪里开始缓存？一定是代码里实际指定的Flash读取操作起始地址吗？

疑问2：一旦发生了预取操作，一定是持续到当前AHB RX Buffer满才会中止吗？有没有被打断的可能性？关于AHB RX Buffer的配置，有很多种不同的策略，痞子衡今天要测的主要是BootROM里启用的一种最简单直接的策略，即AHB RX Buffer 0 - 2全部关掉，仅启用AHB RX Buffer 3，总1KB RX Buffer空间全部给这个AHB RX Buffer 3，所有master均通过AHB RX Buffer 3来访问Flash，且访问优先级一致。
二、Prefetch实验准备参考文章《实抓Flash信号波形来看i.MXRT的FlexSPI外设下AHB读访问情形（无缓存）》里的第一小节 实验准备，本次实验需要做一样的准备工作。
三、Prefetch实验代码参考文章《实抓Flash信号波形来看i.MXRT的FlexSPI外设下AHB读访问情形（无缓存）》里的第二小节 实验代码，本次实验代码关于工程和链接文件方面是一样的设置，但是具体测试函数改成如下ramfunc型函数 test_prefetch_read()。关于Prefetch这次会有很多种不同测试，while(1)语句前的系统配置保持不变，while(1)里面的语句可根据实际测试情况去调整：
#if (defined(__ICCARM__))
#pragma optimize = none
__ramfunc
#endif
void test_prefetch_read(void)
{
// 系统配置
/* 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 AHBRXBUFCR0[index] &= ~(FLEXSPI_AHBRXBUFCR0_BUFSZ_MASK | FLEXSPI_AHBRXBUFCR0_MSTRID_MASK | FLEXSPI_AHBRXBUFCR0_PRIORITY_MASK);
}
while (1)
{
      // 测试用例代码，可按情况调整
}
}
四、Prefetch实验结果4.1 循环读取同一数据块（1KB以内）本系列测试用例沿用上一篇文章中特殊const数据区.ahbRdBuffer设置，0x60002400 - 0x600027ff 空间的前16字节是指定的，后面区域就由IDE自由链接应用程序代码数据，我们暂不需要在IO[1:0]信号上具体观察这个区域的数据：
const uint8_t ahbRdBlock[16] @ ".ahbRdBuffer" = {
0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x10, 0x11, 0x12, 0x13,
0x20, 0x21, 0x22, 0x23, 0x30, 0x31, 0x32, 0x33,
};
// 在工程链接文件中
keep{ section .ahbRdBuffer };
place at address mem:0x60002400 { readonly section .ahbRdBuffer };
4.1.1 访问首地址按八字节对齐先来看最典型的测试，从八字节对齐地址 PREFETCH_TEST_START 处读取 testLen 长度的数据，该函数里第一次memcpy语句的执行便会触发Prefetch机制，当 testLen 不大于 PREFETCH_TEST_MAX_LEN（1KB）时，Flash端时序波形图都是同一个，即仅产生一次CS低有效周期（后续循环执行均从AHB RX Buffer直接取数据了），低有效持续时间约为65.2us，按SCK周期31.6ns来算，一共有2068个SCK周期，减去读时序里固定前20个命令地址周期，剩2048个数据SCK周期（一个SCK周期传输4bit数据），即读取1KB数据：
#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)
{
// 略去系统配置
testLen = (testLen > PREFETCH_TEST_MAX_LEN) ? PREFETCH_TEST_MAX_LEN : testLen;
while (1)
{
      memcpy((void *)0x20200000, (void *)PREFETCH_TEST_START, testLen);
}
}

预取技术是如何提升对Flash的AHB读访问效率的？

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