串行NOR Flash执行性能的究极模式 - QPIOPI

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QPI/OPI模式。

我们知道 Flash 读时序里有五大子序列 CMD + ADDR + MODE + DUMMY + READ，前面的文章中痞子衡讲过《串行NOR Flash的Continuous read模式》，Continuous read 模式是为了在适当的情况下精简掉连续读访问里的后续 CMD 子序列，它可以进一步提高 Flash 访问性能，这已经是极限了吗？其实没有，还差最后一招，那就是痞子衡今天要讲的 QPI/OPI 模式。

一、什么是QPI/OPI模式？

截至到目前为止，不管是四线 Flash 还是 八线 Flash，痞子衡讲的所有 Flash 传输时序中的 CMD 子序列都是以 1 线形式发送的（即只通过 IO0 来发送），我想你肯定也曾经觉得奇怪过，为何其他子序列都有 1/2/4/8 线模式可选，偏偏这个 CMD 子序列总是 1 线模式？其实这也不能怨 CMD，毕竟所有的 Flash 传输时序都从 CMD 子序列开始的，后续子序列的 Pad 模式都是靠 CMD 命令码来区分的，为了保证 CMD 值能被正确获取，只能牺牲 CMD 序列的灵活性，就固定以 1 线形式发送，这也就是所谓的 SPI 模式。

为了不让 CMD 子序列太委屈，Flash 厂商也为了它单独做了设计，四线 Flash 可以切换到 4 线模式来发送 CMD 子序列（即 QPI 模式），八线 Flash 可以切换到 8 线模式来发送 CMD 子序列（即 OPI 模式），默认上电是 SPI 模式，然后在 SPI 模式下做指定设置可以切换到 QPI/OPI 模式，在 QPI/OPI 模式下做指定设置或者复位也能再回到 SPI 模式。

1.1 四线Flash的QPI模式

下面是一款典型的四线 Flash（芯成 IS25WP128） 在 QPI 模式下的 Fast Read Quad I/O 传输时序，此时 CMD 子序列仅在 2 个 CLK 内就完成了传输，因为 IO[3:0] 均参与了 CMD 发送，效率是 SPI 模式下的 4 倍。后面的子序列与 SPI 模式下一模一样。

1.2 八线Flash的OPI模式

下面是一款典型的八线 Flash（旺宏 MX25UM51345） 在 OPI 模式下的 OCTA Read 传输时序，此时 CMD 子序列仅在 1 个 CLK 内就完成了传输，因为 SIO[7:0] 均参与了 CMD 发送，效率是 SPI 模式下的 8 倍。后面的子序列与 SPI 模式下一模一样。

二、不同Flash厂商关于QPI/OPI切换设计

现在跟着痞子衡去看几家主流Flash厂商关于 QPI/OPI 模式切换的设计（如果你想快速确认某一款型号Flash是否支持这个特性，找到其数据手册搜索"QPI/OPI"看有没有结果）：

2.1 四线 Flash 上切换设计

QPI 模式是四线 Flash 上一个性能模式特性，并不是所有 Flash 都支持这个特性。而对于支持 QPI 模式的 Flash，不同厂商的切换设计也不太相同，不过大部分厂商都是选择发一个 CMD 命令时序来切换，比如芯成 IS25WP128 就是如下的时序进入和退出 QPI 模式：

痞子衡找了几家市面上比较常见的四线 Flash，并整理了它们进出 QPI 模式命令码如下：

当然也有一些厂商不是发一个 CMD 命令时序来切换的设计，而是通过设置 Flash 内部寄存器的方式来做切换，比如赛普拉斯 S25FS-S 系列就是设置如下的寄存器来进入和退出 QPI 模式：

2.2 八线 Flash 上切换设计

对于八线 Flash，即使 OPI 模式也算性能模式特性，但是基本上所有 Flash 都能支持这个特性（毕竟目前生产 8 线 Flash 的厂商并不多）。这些厂商都是提供设置 Flash 内部寄存器的方式来做切换：

如下是旺宏 MX25UM51345 切换 OPI 模式的寄存器定义：

如下是镁光 MT35X 系列切换 OPI 模式（即 Octal 模式）的寄存器定义：

三、在i.MXRT1170-EVK上实战（IS25WP128）

了解了上面关于 QPI/OPI 模式知识后，我们在恩智浦 i.MXRT1170-EVK 板子上实践一下。默认连接的 Flash 是IS25WP128，这款 Flash 是支持 QPI 模式的，我们随便在SDK包里找一个 XIP 例程，修改工程里  evkmimxrt1170_flexspi_nor_config.c 文件里的 FDCB 启动头如下，改完下载程序进 Flash 运行，代码执行效率应该会有所提升。

#define CMD_LUT_SEQ_IDX_ENTER_QPI 7
const flexspi_nor_config_t qspiflash_config = {
    .memConfig =
        {
            // ... 默认设置省略
            
            // 使能 QPI 配置操作
            .deviceModeCfgEnable = 1u,
            .deviceModeType = kDeviceConfigCmdType_Spi2Xpi,
            .waitTimeCfgCommands = 1,
            .deviceModeSeq =
                {
                    .seqNum   = 1,
                    .seqId    = CMD_LUT_SEQ_IDX_ENTER_QPI,
                    .reserved = 0,
                },
            .deviceModeArg = 0,
            .lookupTable =
                {
                    // Fast Read Quad I/O LUTs （将 CMD_SDR 的 Pad 模式由 FLEXSPI_1PAD 改为 FLEXSPI_4PAD）
                    [0]               = FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR, FLEXSPI_4PAD, 0xEB, RADDR_SDR, FLEXSPI_4PAD, 0x18),
                    [1]               = FLEXSPI_LUT_SEQ(MODE8_SDR, FLEXSPI_4PAD, 0x00, DUMMY_SDR, FLEXSPI_4PAD, 0x04),
                    [2]               = FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_SDR, FLEXSPI_4PAD, 0x04, 0, 0, 0),
                    // 增加 Enter QPI 命令序列
                    [4*CMD_LUT_SEQ_IDX_ENTER_QPI]     = FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR,   FLEXSPI_1PAD, 0x35, 0, 0, 0),
                },
        },
    // ... 默认设置省略
};

关于 OPI 模式使能的例子可以直接参考 MIMXRT500/600 SDK，因为其配套 EVK 使用的是旺宏 MX25UM51345，所以官方 SDK 里启动头 FDCB 都是包含开启 OPI 模式的配置代码的。

和使能 Continuous read 模式一样，使能 QPI/OPI 模式后，对项目最大的影响是考虑软复位后芯片再次启动的问题，具体可以参考痞子衡的旧文 《深扒i.MXRT系列ROM中集成的串行NOR Flash启动SW Reset功能及其应用场合》。

至此，在FDCB里使能串行NOR Flash的QPI/OPI模式痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~