Flash的DTR模式藏着什么玄机？

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在FDCB里使能串行NOR Flash的DTR模式。

前两篇文章 《IS25WP系列Dummy Cycle设置》 与 《IS25LP系列Dummy Cycle设置》， 痞子衡均是设置Flash的Fast Read Quad I/O SDR模式去启动的，但最近在恩智浦官方论坛上，有不止一个客户需要使能Flash的DTR模式去启动，他们似乎都遇到了小问题，难道DTR模式藏着什么玄机？走，跟痞子衡去瞧瞧：

一、什么是DTR模式？

DTR是Dual Transfer Rate的缩写，即在时钟信号SCK的双边沿均触发数据传输。DTR有时候跟另一个名词DDR会混用，DDR是Double Data Rate的缩写，反正这两个名词均表示双边沿触发的意思，跟SDR单边沿触发相比快了一倍（同等SCK频率下而言）。下面痞子衡结合i.MXRT的FlexSPI外设来对比介绍SDR模块与DDR模式的区别：

1.1 FlexSPI的DTR输入输出

下图是FlexSPI的输入时序图（FlexSPI从Flash读取存储数据）。左边是SDR模式，可以看到FlexSPI是在DQS的下沿才会去锁存一次SIO上的数据。右边是DDR模式，FlexSPI外设在DQS的上沿和下沿都会去锁存一次SIO上的数据。注意不管是SDR模块还是DDR模式，DQS信号都是与SCK同频的。

Note: 关于DQS信号的意义，可以去看痞子衡的旧文 《串行NOR Flash的DQS信号功能简介》，FlexSPI外设的DQS信号既可以来自真实的Flash器件输出，也可以从i.MXRT的DQS引脚loopback（回环）。

再来看FlexSPI的输出时序图（FlexSPI给Flash发送地址，模式等）。左边是SDR模式，Flash器件应在SCK的上沿去锁存DATA (SIO)上的数据。右边是DDR模式，Flash器件需要在SCK的上沿和下沿都去锁存DATA (SIO)上的数据。

1.2 Fast Read Quad I/O DTR时序

了解了SDR与DDR模式区别，我们再来看LUT里Quad I/O Read DDR传输序列，它由CMD_SDR + RADDR_DDR + MODE8_DDR + DUMMY_DDR + LEARN_DDR（可选） + READ_DDR + STOP七个子序列组成，如下表所示。

Note: 特别注意，虽然存在CMD_DDR子序列，但Quad I/O Read DDR传输下发送命令规定使用CMD_SDR子序列。

从引脚信号上来看，完整Quad I/O Read DDR传输时序如下图所示。下图是以两片四线S25FS512S组parallel mode（八线）来示例的。如果是常见的individual mode，我们仅关注PCSA1相关的信号时序即可。

1.3 DTR下实际Dummy Cycle输出与LUT中设定值关系

从Flash器件端来看，实际Dummy Cycle输出数是跟SCK信号周期数一一对应的。在SDR模式下，在Dummy Cycle序列时间内，有多少个SCK周期，即是有多少个Dummy Cycle数，填进LUT的Dummy Cycle也是这个值，这个没有疑义。那么在DDR模式，填入LUT的Dummy Cycle值与SCK周期数是什么关系呢？翻看FlexSPI章节，在LUT指令集表格里有答案，此时Dummy Cycle值应该是实际SCK周期数的2倍（可能有+/-1，需要看Flash手册），这是因为LUT中Dummy Cycle值是与FlexSPI外设端的Serial Root Clk数一一对应的：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频率

上面在讲Dummy Cycle值的时候提到了Serial Root Clk概念，这个其实就是FlexSPI模块本身的工作时钟，目前已量产的i.MXRT型号（包括i.MXRT1010/1020/1050/1060/1170），其FLEXSPI_CLK_ROOT最高频率均是332MHz（下表来自i.MXRT1050系列手册）。

在332MHz FLEXSPI_CLK_ROOT频率下，DTR模式SCK频率理论上最高可以到166MHz，这个没有疑义。但是SDR模式SCK频率理论上最高也是166MHz，因为SDR模式下，只保证了在166MHz FLEXSPI_CLK_ROOT频率下时序可靠（别问，问就是FlexSPI就是这么设计的）。

具体SCK能配到多高的频率跟FlexSPI模块一个寄存器的配置值有关，即FlexSPI->MCR0[RXCLKSRC]，RXCLKSRC配置的是DQS信号的来源，DQS信号一共有三种来源：无DQS自回环（支持的SCK频率最低），有DQS自回环（支持的SCK频率升高），来自外部Flash器件的DQS引脚（支持的SCK频率最高）。

那么RXCLKSRC三种配置下，SCK分别能达到多高频率呢？这需要查看i.MXRT芯片的datasheet，在 FlexSPI input/read timing 小节里有详细介绍，痞子衡整理如下：

二、在客户问题中实战

了解了上面DTR模式基础知识后，我们去恩智浦官方论坛找两个相关问题实践一下。

2.1 Flash型号IS25LP064A

先来看第一个问题 《i.MX RT1021 + IS25LP064A XIP flash in DDR mode settings》，这个客户使用的Flash型号是IS25LP064A，客户已经修改了FDCB头，但是他犯了一个比较严重的错误，他使用了CMD_DDR来发送命令而不是CMD_SDR，这显然不符合Flash时序规范。

此外，该款Flash在DTR模式下最高能支持到66MHz，客户在FDCB里配置SCK频率为 kFlexSpiSerialClk_60MHz 是没问题的，这个速度下DTR模式需要4个SCK周期做Dummy Cycle，Flash器件里的默认值3按说不符合要求，但实测启动也没问题。

下面痞子衡给一个适用的FDCB头（50MHz SCK，DTR模式，LUT里等效Dummy Cycle值是0x2 + 0x4，即6个Dummy Cycle）。想同步修改Flash器件里的Dummy Cycle值去规范地调高SCK频率到60MHz，请参考 《IS25LP系列Dummy Cycle设置》。

const flexspi_nor_config_t qspiflash_config = {
    .memConfig =
        {
            .tag              = FLEXSPI_CFG_BLK_TAG,
            .version          = FLEXSPI_CFG_BLK_VERSION,
            // 设置 FlexSPI->MCR0[RXCLKSRC] 为 1
            .readSampleClkSrc = kFlexSPIReadSampleClk_LoopbackFromDqsPad,
            .csHoldTime       = 3u,
            .csSetupTime      = 3u,
            // 使能 DDR 模式
            .controllerMiscOption = kFlexSpiMiscOffset_DdrModeEnable | kFlexSpiMiscOffset_SafeConfigFreqEnable,
            .sflashPadType    = kSerialFlash_4Pads,
            // 设置 DDR 模式下工作频率
            .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个cycle，DUMMY_DDR子序列里还需设置4个cycle，总计3个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型号IS25WP064D

再来看第二个问题 《i.MX RT106x + IS25WP064D QSPI DDR mode》，这个客户使用的Flash型号是IS25WP064D，客户也修改好了FDCB头，由于Flash器件本身最高能支持80MHz DTR模式，于是这个客户就想在FDCB里将SCK频率设为 kFlexSpiSerialClk_80MHz，但是Flash本身没有DQS信号，FlexSPI端仅能从DQS引脚loopback，这种情况下FlexSPI最高仅能支持66MHz DTR，这显然不符合FlexSPI规范。

痞子衡特别注意到，这款IS25WP064D与上一个客户用的IS25LP064A在时序上尤其是Dummy Cycle上有明显的区别。同样SCK频率下，IS25LP064A下SDR与DDR模式的Dummy Cycle是两倍关系，但是IS25WP064D下SDR与DDR模式的Dummy Cycle数是一样的。

IS25WP064D默认6个Dummy Cycle下对应最高DTR工作频率是69MHz，这已经达FlexSPI外设最高支持的DTR频率上限了，因此不需更改Flash里的Dummy Cycle设置了。

下面痞子衡给一个适用的FDCB头（60MHz SCK，DTR模式，LUT里等效Dummy Cycle值是0x2 + 0xa，即12个Dummy Cycle）。

const flexspi_nor_config_t qspiflash_config = {
    .memConfig =
        {
            .tag              = FLEXSPI_CFG_BLK_TAG,
            .version          = FLEXSPI_CFG_BLK_VERSION,
            // 设置 FlexSPI->MCR0[RXCLKSRC] 为 1
            .readSampleClkSrc = kFlexSPIReadSampleClk_LoopbackFromDqsPad,
            .csHoldTime       = 3u,
            .csSetupTime      = 3u,
            // 使能 DDR 模式
            .controllerMiscOption = kFlexSpiMiscOffset_DdrModeEnable | kFlexSpiMiscOffset_SafeConfigFreqEnable,
            .sflashPadType    = kSerialFlash_4Pads,
            // 设置 DDR 模式下工作频率
            .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个cycle，DUMMY_DDR子序列里还需设置10个cycle，总计6个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模式痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~