為什么QE bit是影響串行Flash正常啟動的重要因素？

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導(dǎo)致串行 NOR Flash 在 i.MXRT 下無法正常下載 / 啟動的常見因素之 QE bit。

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i.MXRT 系列 MCU 發(fā)布已兩年多了，基于 i.MXRT 的客戶產(chǎn)品也越來越多，可以說是全面開花了。痞子衡作為 i.MXRT 產(chǎn)品線的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，早期的時候還可以盡情做參考設(shè)計，現(xiàn)在基本大量時間都被客戶支持占據(jù)了。

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因為 i.MXRT 系列都沒有內(nèi)置 Flash（RT1064, RT1024 等 SIP 型號除外），因此為其搭配一塊串行 NOR Flash 去啟動是客戶項目的頭等大事，而串行 NOR Flash 廠商非常多，客戶選擇余地很大，因此我們不得不與客戶一起同茫茫 Flash 型號打交道，痞子衡也常常調(diào)侃自己已淪為 Flash 測試工程師。

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痞子衡在支持客戶解決串行 NOR Flash 下載啟動問題過程中主要遇到幾個常見因素，這幾個因素可能會影響 Flash 在 i.MXRT 下無法正常使用，上篇痞子衡講了?《SFDP 因素》， 今天痞子衡重點跟大家聊聊 QE bit 這個因素。

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一、什么是 QE bit？

QE 是 Quad Enable 的縮寫，中文叫四線使能，我們需要結(jié)合 i.MXRT EVK 上默認放置的 QSPI NOR Flash（ISSI IS25WP064AJBLE）來解釋這個概念。

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1.1 QE 定義

如下是 IS25WP064AJBLE 的引腳圖，也是最經(jīng)典的 QSPI NOR Flash 封裝形式（SOIC-8），8 個引腳，除去必備的電源和地，還剩 6 根信號線。這 6 根信號線中用藍色框括起來的 Pin1/2/5/6 即嵌入式通訊里常見的 SPI 接口。除此以外，還有 2 根用綠色框括起來的信號線 Pin3/7，它倆是功能復(fù)用的，要解釋 QE，就跟它倆功能定位有關(guān)。

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QE 往簡單了說就是，Pin3/7 用作 IO2/3 當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸功能，即是 QE 使能；而 Pin3/7 用作 WP#、HOLD#控制功能則是 QE 不使能。

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1.2 QE 意義

QE 不使能 Pin3/7 用作 WP#、HOLD#功能這個很好理解，就是通過外部引腳電平設(shè)置來保護 Flash 數(shù)據(jù)安全（主要是不被誤擦寫）。那么 QE 使能有什么意義呢？這得要從 QSPI NOR Flash 工作模式說起。

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一個標準的 NOR Flash 操作時序正常由：CMD + ADDR + dummy + DATA 四部分組成，怎么傳輸這些數(shù)據(jù)決定了 Flash 工作模式。從大的分類來說，F(xiàn)lash 工作模式分為兩種，即 SPI 模式和 QPI 模式：

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Flash 操作主要是讀、寫、擦，我們就以最常見的讀來討論 SPI 模式。繼續(xù)翻看 IS25WP064AJBLE 手冊，找到其命令集，可以看到讀相關(guān)的命令特別多，一共有 9 種。不算 DTR（雙邊沿采樣）的話光 SDR 下（單邊沿采樣）就有 6 種，痞子衡前面說過，SPI 模式下 IO[3:0]具體怎么傳數(shù)據(jù)方式很多就體現(xiàn)在這里。

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痞子衡重點介紹效率最低的 Normal Read Mode（NORD - 0x03）和效率最高的 Fast Read Quad I/O（FRQIO - 0xEB）。下圖是兩者時序?qū)Ρ葓D，可以看到 NORD 模式下（下圖左邊），僅使用 IO[1:0]，IO0 負責(zé)發(fā)送命令、地址，IO1 負責(zé)收數(shù)據(jù)，并且 SCK 最高 50MHz；而 FRQIO 模式下（下圖右邊），除了 IO0 發(fā)送命令外，其余地址、數(shù)據(jù)都是由 IO[3:0]一起完成的，而且 SCK 可達 133MHz，效率堪比 QPI 模式了。

為了充分利用 Flash 去執(zhí)行代碼（XIP），我們肯定希望 Flash 能工作在 FRQIO 模式下，而 FRQIO 模式能否正常使用顯然取決于 QE 設(shè)置。

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二、QE bit 位置差異

前面介紹了 QE 功能，那么在 Flash 里是如何設(shè)置 QE 功能的呢？其實 Flash 內(nèi)部除了 Memory 塊外，通常還有一些寄存器來記錄用戶配置或保存狀態(tài)。

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2.1 幾個不同 QE bit 設(shè)計

如下是 IS25WP064AJBLE 的狀態(tài)寄存器（Status Register），其有僅有一個 SR，其中 SR1[6]即是 QE bit，用以設(shè)置 QE 功能，并且需要注意的是 QE bit 是非易失性的，這意味著 Flash 即使掉過電，這個 QE 設(shè)置還在。

IS25WP064AJBLE 里讀寫 SR 有專門的 CMD，其中寫 SR 命令字（WRSR）是常見的 0x01：

是不是所有廠商的 Flash 都統(tǒng)一按上面這樣來設(shè)計 QE bit 的呢？很遺憾，并不是！讓我們再來看一款來自華邦的 W25Q64JVSIM，其內(nèi)部共有三個 SR，而 SR2[1]才是 QE bit：

W25Q64JVSIM 里讀寫 SR 有三組 CMD，其中用于設(shè)置 QE 的寫 SR2 命令字是 0x31：

看起來在 QE bit 設(shè)計這一塊，各廠商 Flash 不一定是一樣的，據(jù)痞子衡所知，目前市面上至少存在四種不一樣的 QE bit 設(shè)計，痞子衡就不一一列舉了。更有甚者，同一個廠商的不同系列 Flash 的 QE 設(shè)計也可能不一樣，比如兆易創(chuàng)新的 Flash。

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2.2 SFDP - JESD216A 規(guī)范

對于存在的不同的 QE bit 設(shè)計，想要用一套軟件驅(qū)動去開啟 QE，變得有點困難，那該怎么辦？這時候 JEDEC 站了出來。痞子衡在?《SFDP 因素》?一文第一節(jié)里提到 JESD216 標準從 2011 年開始至今發(fā)展了 5 個版本，其中最初的版本 JESD216 里沒有對于 QE bit 位置的定義（SFDP 里 Basic Flash Parameter Table 僅包含 9 個 DWORD），從 JESD216A 開始 QE bit 位置信息也被記錄在了 SFDP 表中（Basic Flash Parameter Table 擴展到 16 個 DWORD），QE bit 信息就記錄在如下 Table 15：

所以對于不支持 SFDP 或者僅是 JESD216 版本 SFDP 的 Flash，我們需要手動查其數(shù)據(jù)手冊找到 QE bit 信息。而 JESD216A 及以上版本的 Flash，我們直接讀出 SFDP 表即可知道 QE bit 信息。

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三、默認 QE bit 狀態(tài)

現(xiàn)在我們對 QE bit 已經(jīng)有了全面的了解，還剩最后一個問題，各廠商的 Flash 出廠時其 QE bit 初始是什么狀態(tài)？據(jù)痞子衡了解，每個廠商幾乎同時都有 QE 默認是開或者關(guān)的 Flash 型號，這在 Part Number 上會有體現(xiàn)，比如下面華邦 W25Q 系列的命名規(guī)則，最后一位代表了默認 QE 狀態(tài)：

其他 Flash 廠商關(guān)于 QE 狀態(tài)的命名規(guī)則各有不同，需要自行查看手冊去了解。

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四、在 i.MXRT 下如何處理不同 QE bit 的 Flash

現(xiàn)在我們開始探討不同 QE bit 情況對于 i.MXRT 下載啟動的影響，第一步是查看 Flash 是否有 SFDP，以及明確其 SFDP 版本。

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4.1 明確 SFDP 版本

以 i.MXRT EVK 上默認 IS25WP064AJBLE 這款 Flash 為例，從數(shù)據(jù)手冊里看，其支持 SFDP，但是找不到具體 JESD216 版本，所以需要我們直接從 Flash 里讀出 SFDP，找到第一個 Parameter Header 里的 Minor Revision，發(fā)現(xiàn)其值是 0x06，即 JESD216B。

enum
{
????kSfdp_Version_Major_1_0?=?1,
????kSfdp_Version_Minor_0??=?0,?//?JESD216
????kSfdp_Version_Minor_A??=?5,?//?JESD216A
????kSfdp_Version_Minor_B??=?6,?//?JESD216B
????kSfdp_Version_Minor_CD?=?7,?//?JESD216C,?JESD216D,?JESD216D.01
};

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4.2 設(shè)定 QE 信息去下載

因為 IS25WP064AJBLE 的 SFDP 版本較高，所以其 QE 信息可以不從手冊里查看了，而如果 Flash 不支持 SFDP 或者 SFDP 是初版，則需要查數(shù)據(jù)手冊記錄 QE bit 位置及初始狀態(tài)。

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我們知道無論是 Jlink 還是各大 IDE 下載算法或是痞子衡的 MCUBootUtility 工具，在 i.MXRT 下基本都是同一套下載算法設(shè)計，即?《ROM API 實現(xiàn) IAP》?中 2.2 節(jié)那樣的用法。對于經(jīng)典的四線 QSPI NOR，我們只需要簡單修改 option 值即可。

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對于 i.MXRT1060 下的 IS25WP064AJBLE，我們直接設(shè) option = 0xc0000008。即標準四線，速度為 133MHz，QE 默認是 NotConfig（注意 option[11:8]表示 QuadMode），為什么 QE 設(shè) NotConfig？那是因為這顆 Flash 的 SFDP 版本高，下載算法能從 SFDP 中找到 QE 信息并且會嘗試使能它。

enum
{
????kSerialNorQuadMode_NotConfig?=?0,
????kSerialNorQuadMode_StatusReg1_Bit6?=?1,
????kSerialNorQuadMode_StatusReg2_Bit1?=?2,
????kSerialNorQuadMode_StatusReg2_Bit7?=?3,
????kSerialNorQuadMode_StatusReg2_Bit1_0x31?=?4,
};

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而如果 Flash 是非 SFDP 或 JESD216 且 QE 默認是關(guān)的，那么 option[11:8]必須要設(shè)置正確，否則下載校驗時會報錯。比如前面介紹的 W25Q64JVSIM，痞子衡不確定其是什么 SFDP 版本，保險起見，我們可以直接設(shè) option = 0xc0000408。

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上面的 option 值 QE 設(shè)置與痞子衡的 MCUBootUtility 下載工具是對應(yīng)的：

4.3 匹配 FDCB 去啟動

下載時如果能夠成功將 Flash 里的 QE 打開，i.MXRT 啟動時就可以不用特殊做什么，直接用 SDK 里提供的 FDCB 即可。為了達到最高 XIP 性能，F(xiàn)DCB 里的 LUT 都是配的四線 I/O 模式的 Fast Read，而 QE 此時已經(jīng)打開，那么 CPU 去 Flash 里讀指令不會有任何問題。

至此，導(dǎo)致串行 NOR Flash 在 i.MXRT 下無法正常下載 / 啟動的常見因素之 QE bit 痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~