SPIFI

Материал из MIK32 микроконтроллер

Контроллер SPIFI c КЭШ предназначен для организации взаимодействия микропроцессорного ядра с микросхемой внешней FLASH-памяти. Это позволяет обеспечить исполнение кода программы, записанного в микросхеме флеш-памяти, а также при необходимости чтение и запись произвольных данных во внешнюю флэш-память в процессе выполнения программы.

Контроллер SPIFI c КЭШ обеспечивает работу с микросхемами FLASH – памяти через SPI интерфейс в одном из трех режимов: одноканальный; двухканальный; четырёхканальный. По умолчанию используется одноканальный режим, двухканальный и четырёхканальный режим включается через программное обеспечение.

Микросхема внешней FLASH – памяти, подключаемая к блоку SPI Flash c КЭШ, должна иметь встроенный интерфейс SPI (Single, Dual, Quatro) и поддерживать набор команд управления, определенных в стандарте JEDEC.

Выводы SPIFI:

Port_2_0 - SPIFI_SCLK - Интерфейс SPIFI, тактовый сигнал - CLK (Serial Clock Input);

Port_2_1 - SPIFI_CS - Интерфейс SPIFI, сигнал CS - CS (Chip Select Input);

Port_2_2 - SPIFI_DATA_0 - Интерфейс SPIFI, шина данных, разряд 0 - DI (Data Input);

Port_2_3 - SPIFI_DATA_1 - Интерфейс SPIFI, шина данных, разряд 1 - DO (Data Output);

Port_2_4 - SPIFI_DATA_2 - Интерфейс SPIFI, шина данных, разряд 2 - WP (Write Protect Input);

Port_2_5 - SPIFI_DATA_3 - Интерфейс SPIFI, шина данных, разряд 3 - HOLD (Hold Input).

Пример использования SPIFI

В данном примере используется микросхема памяти GSN2516Y (GS Nanotech) или W25Q64FV (Winbond). В микросхему памяти с помощью MIK32 по SPIFI загружается программа Blink, после чего микроконтроллер загружается из внешней памяти. Для этого требуется получить массив байтов из hex файла firmware.hex проекта Blink с помощью специального скрипта mcu32flash.py, который можно скачать по ссылке.

Проект Blink - ссылка

Blink

Запуск скрипта

Сначала нужно собрать проект Blink чтобы появился файл firmware.hex. В PlatformIO сделать это можно нажав галочку как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 - Сборка проекта

Blink должен быть активным проектом. Скрипт mcu32flash.py нужно поместить в папку, в которой хранится hex файл. По умолчанию путь к hex файлу проекта Blink "C:\Users\%USERNAME%\Documents\PlatformIO\Projects\Blink\.pio\build\mik32". Также сделать это можно, добавив файл в проводнике Visual Studio Code - рисунок 2.

Рисунок 2 - Размещение mcu32flash.py

После этого нажать правой кнопкой мыши по файлу и выбрать "Открыть во встроенном терминале" как на рисунке 3.

Рисунок 3 - Контекстное меню

Для запуска скрипта нужно в терминале написать "python.exe .\mcu32flash.py" и нажать "Enter" - рисунок 4.

Рисунок 4 - Терминал

Скрипт создаст файл "array.h" в папке, в которой расположен hex файл. В "array.h" находится массив "bin_data" с байтами, которые будут загружаться в чип памяти.

Загрузка программы в микросхему памяти

Полученный файл "array.h" следует переместить в папку "src" проекта SPIFI.

Инициализация SPIFI

Инициализация контроллера SPIFI проводится с помощью функции spifi_init, которая включает тактирование контроллера SPIFI на шине AHB.

Отправка команд

Для записи, чтения и стирания данных используются стандартные инструкции - рисунок 5.

Рисунок 5 - Фрагмент набора инструкций

Перед записью следует произвести стирание сектора или блока, в который будет производиться запись. В данном примере проводится стирание всей микросхемы. Перед стиранием должна быть выполнена инструкция "включение записи" ("write enable"). Запись проводится с помощью инструкции "Программирование страниц", отправка которой будет разобрана далее. Для стирания чипа используется функция erase, которая оправляет инструкции "Включение записи", "Стирание микросхемы" и "Чтение регистра состояния - 1". Стирание микросхемы занимает несколько секунд, поэтому после отправки инструкции стирания читается регистр состояния 1 - рисунок 6.

Рисунок 6 - Регистр состояния 1

В регистре состояния есть бит BUSY, который устанавливается в состояние 1, когда устройство выполняет инструкцию Page Program, Quad Page Program, Sector Erase, Block Erase, Chip Erase, Write Status Register или Erase/Program Security Register. В течение этого времени устройство будет игнорировать дальнейшие инструкции, за исключением инструкций Read Status Register и Erase/Program Suspend. Когда инструкция по программированию, стиранию или записи состояния/защиты регистра будет завершена, бит BUSY будет установлен в состояние 0, указывающее, что устройство готово к дальнейшим инструкциям. После отправки "Стирание микросхемы" программа ожидает когда бит BUSY станет раным нулю.

функция erase

void erase()
{
    write_enable();
    chip_erase();
    wait_busy();
}

После стирания начинается запись страниц по 256 байт. Если количество байт массива bin_data не кратно 256, то в конце записывается оставшиеся байты массива. Запись производится с помощью функции write, которая отправляет инструкции "Включение записи", "Программирование страниц" и "Чтение регистра состояния - 1".

void write(int address, char data[], int data_len);

Функция принимает следующие аргументы:

- int address - адрес, с которого начинается запись;

- char data[] - массив данных;

- int data_len - количество байт. Не может быть больше 256.

Разберем отправку команд на примере инструкции "Программирование страниц" ("Page Program"). На рисунке 4 видно, что инструкция состоит из первого байта 0x02, трех байтов адреса и не менее одного байта данных, но не более 256.

Инструкция "Программирование страниц" использует адрес, который нужно записать в регистр ADDR. С этого адреса начнется запись.

Для отправки команды следует настроить биты OPCODE, FRAMEFORM и FIELDFORM в регистре CMD.

OPCODE - код инструкции. В данном случае 0x02.

FRAMEFORM - Бит управления полями кода операции и адреса команды:

- 1 – выдается только код операции, адреса нет - SPIFI_CONFIG_CMD_FRAMEFORM_OPCODE_NOADDR;

- 2 – код операции и младший байт адреса - SPIFI_CONFIG_CMD_FRAMEFORM_OPCODE_1ADDR;

- 3 – код операции и два младших байта адреса - SPIFI_CONFIG_CMD_FRAMEFORM_OPCODE_2ADDR;

- 4 – код операции и три младших байта адреса - SPIFI_CONFIG_CMD_FRAMEFORM_OPCODE_3ADDR;

- 5 – код операции и 4 байта адреса - SPIFI_CONFIG_CMD_FRAMEFORM_OPCODE_4ADDR;

- 6 – нет кода операции, три младших байта адреса - SPIFI_CONFIG_CMD_FRAMEFORM_NOOPCODE_3ADDR;

- 7 – нет кода операции, 4 байта адреса - SPIFI_CONFIG_CMD_FRAMEFORM_NOOPCODE_3ADDR.


FIELDFORM - Формат вывода полей команды:

- 0 – все поля выводятся в последовательном режиме - SPIFI_CONFIG_CMD_FIELDFORM_ALL_SERIAL;

- 1 – данные выводятся в четырех или двух битовом режиме, а остальные поля в последовательном режиме - SPIFI_CONFIG_CMD_FIELDFORM_DATA_PARALLEL;

- 2 – код операции выводится в последовательном режиме, а остальные в четырех или двух битовом - SPIFI_CONFIG_CMD_FIELDFORM_OPCODE_SERIAL;

- 3 – все поля в четырех или двух битовом режиме - SPIFI_CONFIG_CMD_FIELDFORM_ALL_PARALLEL.


DOUT - Бит направления передачи данных:

- 0 – чтение из флэш;

- 1 – запись во флэш


POLL - Бит должен быть установлен при выполнении команды, которая содержит входное поле данных и циклически запрашивает состояние бита входного потока битов из регистра статуса флэш-памяти.


DATALEN - В тех случаях, когда бит POLL равен 0, это поле определяет количество байт данных при выполнении команды. Если это поле равно 0, то выполняемая команда не содержит данных


Так как в примере используются стандартные инструкции, то FIELDFORM = 0 - SPIFI_CONFIG_CMD_FIELDFORM_ALL_SERIAL.

Инструкция "Программирование страниц" требует 3 байта адреса, поэтому FRAMEFORM = 4 - SPIFI_CONFIG_CMD_FRAMEFORM_OPCODE_3ADDR.

Направление передачи - запись. DOUT = 1.

Режим поллинга не используется. POLL = 0.

Количество байт зависит от аргумента функции byte_count. DATALEN = byte_count.


После заполнения регистра CMD каждый байт массива bin_data записывается в регистр данных DATA. . Если на микросхему памяти отправлено более 256 байт данных, адресация вернется к началу страницы и перезапишет ранее отправленные данные.

функция page_program

void page_program(unsigned int ByteAddress, char data[], int byte_count)  {

    if(byte_count > 256)
    {
        xprintf("Количество байт больше 256\n");
    }
    xprintf("Start page program\n");

    //STAT:INTRQ
	SPIFI_CONFIG->STAT |= SPIFI_CONFIG_STAT_INTRQ_M;

	//ADDRESS
    SPIFI_CONFIG->ADDR = ByteAddress;

    //IDATA
    SPIFI_CONFIG->IDATA = 0x00;

    //CLIMIT
    SPIFI_CONFIG->CLIMIT = 0x00000000;

    //CMD
    SPIFI_CONFIG->CMD = (PAGE_PROGRAM_COMMAND << SPIFI_CONFIG_CMD_OPCODE_S) | 
                        (SPIFI_CONFIG_CMD_FRAMEFORM_OPCODE_3ADDR << SPIFI_CONFIG_CMD_FRAMEFORM_S) | 
                        (SPIFI_CONFIG_CMD_FIELDFORM_ALL_SERIAL << SPIFI_CONFIG_CMD_FIELDFORM_S) |
                        (0 << SPIFI_CONFIG_CMD_INTLEN_S) | 
                        (1 << SPIFI_CONFIG_CMD_DOUT_S) |
                        (0 << SPIFI_CONFIG_CMD_POLL_S) |
                        (byte_count << SPIFI_CONFIG_CMD_DATALEN_S);

    for(int i = ByteAddress; i < (ByteAddress + byte_count); i++)
    {
        SPIFI_CONFIG->DATA8 = data[i];
    }
    
    SPIFI_CONFIG->STAT |= SPIFI_CONFIG_STAT_INTRQ_M;

}

После записи страницы проводится чтение только что записанных байтов и сравнение с исходным массивом для исключения ошибок при записи.

Результат выполнения программы

Результат выполнения программы можно видеть в COM-порте. В примере для передачи данных используется UART_0, который имеет следующие выводы:

- Port_0_5 - UART0_rxd;

- Port_0_6 - UART0_txd.

Установлена скорость 9600 бод. На рисунке 7 изображен вывод программы.

Полный код

Рисунок 7 - Вывод программы

Пример проекта - ссылка

Старт из внешней памяти с использованием контроллера SPIFI

Микросхема MCU32 имеет три различных варианта старта, определяемых состоянием выводов Boot0 и Boot1 в соответствии с таблицей 1.

Для старта из внешней памяти следует установить перемычки на плате так чтобы Boot0 = 0, а Boot1 = 1. Пример установки перемычек на плате DIP-MIK32-BB показан на рисунке 8.

Рисунок 8 - Распиновка DIP-MIK32-BB
Таблица 1 - Варианты старта
Boot0 Boot1 Режим
0 0 Старт из встроенной памяти EEPROM
0 1 Старт из внешней памяти с использованием контроллера SPIFI
1 0 Старт из системного ОЗУ
1 1 Зарезервировано

Загрузка из внешней памяти: контроллер SPIFI отображается в загрузочную область (0x0000_0000), но по прежнему остается доступной также по адресу 0x8000_0000.

Результат

После старта должен мигать светодиод на выводе Port_2_7.

В COM-порте можно видеть вывод программы Blink. В примере для передачи данных используется UART_0. Установлена скорость 9600 бод.

Программа Blink из внешней памяти выполняется медленнее чем из EEPROM или RAM. Сравнение времени выполнения программы Blink и инструкций приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Время выполнения
Blink
ram, мс eeprom, мс GSN2516Y, мс
Выполнение программы 109,37 249,99 4384,99
Делитель частоты SPIFI = SCK_DIV(3), 2 МГц
Write enable + стирание чипа 6076,82 6082,03 -
Write enable + запись страницы

(256 Байт)

41,57 41,67 -
чтение страницы

(256 Байт)

1,18 1,39 -
Делитель частоты SPIFI = SCK_DIV(0), 16 МГц
Write enable + стирание чипа 6108,26 6075,40 -
Write enable + запись страницы

(256 Байт)

40,73 40,83 -
чтение страницы

(256 Байт)

0,29 0,60 -

Ссылки

Проекты были выполнены в среде PlatformIO.

Скрипт mcu32flash.py - ссылка

Проект Blink - ссылка

Проект SPIFI - ссылка