Flash中XIP模式

XIP:eXecute In Place,即芯片内执行,指应用程序可以直接在flash闪存内运行,不必再把代码读到系统RAM中。所谓片内执行并不是说程序在存储器内执行,CPU的基本功能是取指、译码、执行,存储器访问,写回。Nor Flash能在芯片内执行,指的是CPU能够直接从Nor flash中取指令,供后面的译码器和执行器来使用。

NOR Flash和Nand Flash

上面2种flash是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。NOR Flash 的特点是芯片内执行(XIP ,eXecute In Place),这样应用程序可以直接在Flash闪存内运行,不必再把代码读到系统RAM中。NOR 的传输效率很高,在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益,但是很低的写入和擦除速度大大影响到它的性能。NAND的结构能提供极高的单元密度,可以达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于Flash的管理和需要特殊的系统接口。通常读取NOR的速度比NAND稍快一些,而NAND的写入速度比NOR快很多。

Nand Flash器件的IO口比较少,通过串行地进行读写数据,硬件接口少了,势必会带来复杂的软件成本,一般使用8个引脚来进行传输控制、地址和数据信息,由于时序非常复杂,所以一般CPU最好集成NAND控制器,另外由于Nand flash没有挂接在地址总线上,所以如果想用Nand flash作为系统的启动盘,就需要CPU具备特殊的功能,比如s3c2440在被选择为NandFlash启动方式时会在上电时自动读取NandFlash的4k数据到地址0的SRAM中。如果CPU不具备这种特殊功能,用户不能直接运行NandFlash上的代码,因为使用Nand Flash必须要各种初始化,复杂逻辑。

Nor Flash能够在片内执行,Nand Flash不能,区别如下图:

这张图里的左边是普通的flash,可以理解成是Nand Flash,CPU想要从Nand Flash中读取数据,必须要先通过在RAM中计算地址,各种时序计算,然后通过MMU转换地址,然后给Nand flash发送命令,注意是命令,不是地址,Nand Flash根据命令进行相应的操作,如果是读命令,则返回对应地址的数据到RAM中,如果是写命令,则进行写操作。

而右边的图,是针对Nor Flash的,这个很明显,CPU可以像读内存一样,直接跟Nor flash交互,即可以直接从Nor Flash中取指令,然后交给译码模块和执行模块进行执行,可以说,相比较Nand flash,Nor flash的操作对于CPU来说,简直就像是面对面一样。

进一步, 为什么Nor Flash可以实现XIP,而Nand flash就不行呢?

有一个概念:嵌入式系统中代码的执行方式:

(1)完全映射:嵌入式系统程序运行时,将所有代码从非易失存储器(Flash、ROM等)复制到RAM中运行。

(2)按需分页:只复制部分代码到RAM中,这种方法对RAM中的页进行导入/导出管理,如果访问位于虚存中但不在物理RAM中会产生页错位,这时才将代码和数据映射到RAM中。

(3)XIP:在系统启动时,不将代码复制到RAM,而是直接在非易失性存储位置执行,RAM中只存放需要不断变化的数据部分,如下图所示:

如果非易失性存储器(Flash)的读取速度与RAM相近,则XIP可以节省复制和解压的时间,Nor flash和rom的读取速度比较接近(约100ns),比较适合XIP,而Nand flash的读取操作是基于扇区的,速度相对很慢(us级),因此不适合实现XIP系统,不过Nand flash的写速度比Nor的快,更适合做存储和下载系统。

解释二: 两种芯片的结构不同 NOR flash之所以可以片内执行,就是因为他符合CPU去指令译码执行的要求。CPU送一个地址出来,Nor flash就能给出一个数据让CPU执行,中间不需要额外的处理操作。 NAND flash不一样是因为nand flash有地址,数据,命令共用IO口的问题,cpu把地址发出来之后,并不能直接得到数据,还需要控制线的操作才能完成。就是他没有专用的SRAM接口。 解释三: 芯片内执行主要是是看芯片可不可以线性存储代码(假如硬件支持芯片接口),只要能保证芯片的存储空间是线性的(也就是无坏块),都可以片上执行,在读取Flash时候,容易出现“位翻转(bitconvert),在Flash的位翻转(一个bit位发生翻转)现象上,NAND的出现几率要比NorFlash大得多。这个问题在Flash存储关键文件时是致命的,所以在使用NandFlash时建议同时使用EDC/ECC等校验算法。” 但是,如果能保证不出错,也还是可以进行XIP,可以在其上执行代码的:“所谓XIP,就是CODE是在FLASH上直接运行. NANDFLASH只是不适合做XIP,但并不是不能做XIP“ 要一段CODE能够正确的运行,要保证它的CODE是连续的,正确的.由于一些电气特性的原因,NOR FLASH能够做到这一点,不存在坏道或坏块,所以能够做XIP.而对于NAND FLASH, 它只保证它的BLOCK 0是好的,其他的块并不保证,虽然出错的几率比较低,但还是有出错的可能,所以CODE可能无法连续正确地执行.但只要你有额外的保障措施,比如说在执行CODE之前去做一次ECC校验,来确保CODE是连续正确的.那你也可以做XIP.

本文分享自微信公众号 - 数字IC小站(c9897968),作者:Eternity233

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原始发表时间:2020-08-16

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