痞子衡嵌入式:i.MXRT中FlexSPI外设不常用的读选通采样时钟源 – loopbackFromSckPad


  大家好,我是痞子衡,是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家分享的是i.MXRT中FlexSPI外设不常用的读选通采样时钟源 - loopbackFromSckPad

  最近碰到一个客户,他们在 i.MXRT500 上使能了 FlexSPI->MCR0[RXCLKSRC] = 2(即 loopbackFromSckPad),这个选项字面上的意思是设置读选通采样时钟源为 SCK 引脚,这个选项在恩智浦官方的代码包里未曾使能过。客户在使用过程中遇到高频时 SCK 引脚被降压的问题(从正常的 1.8V 降至 1.2V),那么这个 loopbackFromSckPad 选项到底是什么作用以及有什么使用限制呢?且听痞子衡道来:

  • Note1: 参考手册里显示支持 loopbackFromSckPad 选项的型号有 i.MXRT1040/1050/1060/1064/1180/500
  • Note2: 参考手册里没有提及支持 loopbackFromSckPad 选项的型号有 i.MXRT1010/1015/1020/1024/1160/1170/600

一、为什么存在Read Strobe?

  对于串行 SPI 接口存储器,FlexSPI 外设主要支持如下两种读数据时序:一是所谓的经典 SPI 模式,IO0 (MOSI) 专用于发送命令和地址,IO1 (MISO) 专用于接收数据(图中上面的时序)。二是 Multi-I/O SPI 模式,SIO[n:0] 一起用于发送命令地址以及接收数据(图中下面的时序)。

  显然经典 SPI 模式下 IO[1:0] 是单向的,而 Multi-I/O SPI 模式下,SIO[n:0] 是双向的。当 SIO 用于双向传输时,过程中必然存在引脚方向切换,而 FlexSPI 外设在处理 SIO 方向切换时无法做到零等待周期读取数据,这就是为什么 Multi-I/O SPI 读时序中总是会存在 Dummy 周期。

痞子衡嵌入式:i.MXRT中FlexSPI外设不常用的读选通采样时钟源 – loopbackFromSckPad插图

  因为 Dummy 周期的存在,FlexSPI 外设内部实际上有一个 Read Strobe 信号(即 DQS)来控制数据的选通性(即什么时候开始数据有效,将数据存入内部 FIFO)。更直白点说,Read Strobe 信号的存在就是由于 FlexSPI 外设无法支持如下这种情况的读时序(下图中 COMMAND 实际应为 COMMAND&ADDR)。

痞子衡嵌入式:i.MXRT中FlexSPI外设不常用的读选通采样时钟源 – loopbackFromSckPad插图1

二、FlexSPI内部Read Strobe设计

  在 i.MXRT 参考手册里有如下 FlexSPI 前端采样单元框图,其中 ipp_ind_dqs_fa/b_int[x] 即是 Read Strobe 信号,它控制着 FIFO 中实际数据的存储。

痞子衡嵌入式:i.MXRT中FlexSPI外设不常用的读选通采样时钟源 – loopbackFromSckPad插图2

  ipp_ind_dqs_fa/b_int[x] 信号共有四种来源,最原始的信号源由 FlexSPI->MCR0[RXCLKSRC] 选择,中间可能还会经过 DLLxCR 单元(这部分以后会另写文章单独介绍)、Phase Chain 单元做处理,然后送到采样单元里。

痞子衡嵌入式:i.MXRT中FlexSPI外设不常用的读选通采样时钟源 – loopbackFromSckPad插图3

  下图是 FlexSPI->MCR0[RXCLKSRC] = 0 的情况,此时 Read Strobe 经由 ipp_do_dqs0_fa/b 纯内部 loopback 回来,没有经过任何延迟单元。这种配置一般仅用于经典 SPI 传输模式(低速 60MHz SDR 场合),适用低容量 SPI NOR / EEPROM,这时候 FlexSPI DQS Pad 可用作其它功能或者 GPIO。

痞子衡嵌入式:i.MXRT中FlexSPI外设不常用的读选通采样时钟源 – loopbackFromSckPad插图4

  下图是 FlexSPI->MCR0[RXCLKSRC] = 1 的情况,此时 Read Strobe 经由悬空的 DQS 引脚 ipp_do_dqs1_fa/b 再 loopback 回来,此时有了 DQS 引脚绕一圈的延迟。这种配置可用于 Multi-I/O SPI 传输模式(较高速 133MHz SDR 场合),适用不含 DQS 引脚的大容量 QuadSPI NOR Flash,但是 FlexSPI DQS Pad 需要悬空。

痞子衡嵌入式:i.MXRT中FlexSPI外设不常用的读选通采样时钟源 – loopbackFromSckPad插图5

  下图是 FlexSPI->MCR0[RXCLKSRC] = 3 的情况,此时 Read Strobe 完全由外部存储器的 DQS 引脚输出 ipp_ind_dqs3_fa/b 直通进来。这种配置可用于 Multi-I/O SPI 传输模式(最高速 166MHz/200MHz DDR 场合),适用于包含 DQS 引脚的 OctalSPI NOR Flash,这时 FlexSPI DQS Pad 与外部存储器相连。

痞子衡嵌入式:i.MXRT中FlexSPI外设不常用的读选通采样时钟源 – loopbackFromSckPad插图6

三、loopbackFromSckPad选项意义

  前面铺垫了那么多,终于来到本文的主题了,即下图 FlexSPI->MCR0[RXCLKSRC] = 2 的情况,此时 Read Strobe 经由 SCK 引脚 ipp_ind_sck_fa/b 再 loopback 回来,此时有了 SCK 引脚绕一圈的延迟。

  这种配置从应用角度与 FlexSPI->MCR0[RXCLKSRC] = 1(即 loopbackFromDqsPad) 差不多,也可用于 Multi-I/O SPI 传输模式(较高速 133MHz SDR 场合),适用不含 DQS 引脚的大容量 QuadSPI NOR Flash,但是这时候 FlexSPI DQS Pad 被解放出来了,这也是它的最主要意义。

痞子衡嵌入式:i.MXRT中FlexSPI外设不常用的读选通采样时钟源 – loopbackFromSckPad插图7

  别小看只是省了一个 DQS 引脚,也许你认为 i.MXRT I/O 那么多,省一个引脚意义不大,但是如果某些 FlexSPI 引脚组不带 DQS 信号,你又想配置 FlexSPI 以 60MHz 以上频率去访问 Flash,这时候 FlexSPI->MCR0[RXCLKSRC] = 2 选项就会帮上大忙了,见痞子衡旧文 《不支持DQS的FlexSPI引脚组连接串行NOR Flash注意事项》

四、loopbackFromSckPad使用限制

  FlexSPI->MCR0[RXCLKSRC] = 2 选项虽好,但有如下两个实际使用限制:

  • 存在信号完整性问题:主要出现在 SCK 频率过高或者板级 PCB 上 SCK 信号走线过长时。
  • SCK自由运行模式下不可用:对于某些 FPGA 应用,有时需要设置 FlexSPI->MCR0[SCKFREERUNEN] = 1,即 SCK 需要持续给外部设备内部 PLL 提供参考时钟。

  至此,i.MXRT中FlexSPI外设不常用的读选通采样时钟源 - loopbackFromSckPad痞子衡便介绍完毕了,掌声在哪里~~~

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