可重复编程的非易失存储器

1. 背景：为什么需要可重复编程的非易失存储器？

1.1 MROM 的局限性

掩膜 ROM（MROM） 的内容在芯片流片时即固定，无法在芯片制造后修改。
成本高昂：重新流片更换程序需要数百万人民币的掩膜费用，周期长达 3~6 个月。
可编程性极弱：仅支持制造时编程，无法适应软件迭代和 bug 修复。

1.2 Flash 存储器的优势

电可擦除可编程：通过施加高压可擦除或写入数据，内容在断电后保持。
低成本可更新：用户可通过烧录器（如 CH341A）或 U 盘等方式轻松更新固件。
大容量：典型 SPI Flash（如 W25Q128JV）提供 16MB 存储空间，远大于 MROM 的 4KB。
支持 XIP（eXecute In Place）：CPU 可直接从 Flash 取指执行，无需先搬运到 RAM。

2. Flash 存储单元物理结构

2.1 浮栅晶体管

Flash 的基本存储单元是 浮栅场效应管（Floating Gate FET），具有 控制栅极 和 浮置栅极。
浮置栅极 被高纯度二氧化硅绝缘层包裹，可存储电荷长达 10 年以上。
写入（Program）：通过热电子注入或 F-N 隧道效应，将电子注入浮栅，使阈值电压升高，代表逻辑 “0”。
擦除（Erase）：通过 F-N 隧道效应将电子拉出浮栅，阈值电压降低，代表逻辑 “1”。
读取（Read）：施加参考电压，检测晶体管是否导通，非破坏性。

2.2 NOR 与 NAND 架构

类型	连接方式	读取速度	随机访问	典型应用
NOR Flash	单元并联	快	支持（字节级）	程序代码存储、XIP
NAND Flash	单元串联	慢	不支持（页/块访问）	大容量数据存储（SSD、U盘）

2.3 存储层次（以 W25Q128JV 为例）

整颗芯片：16MB（24 根地址线）。
块（Block）：64KB × 256 个。
扇区（Sector）：4KB × 4096 个，最小擦除单位。
页（Page）：256B × 65536 个，最小写入单位。
字节（Byte）：最小读取单位，支持随机读取。

2.4 关键特性

先擦后写：Flash 不能将 “0” 直接改写为 “1”，必须先擦除整个扇区（全部变为 1）再编程。
P/E 周期限制：擦写寿命有限（SLC ~10 万次，MLC ~1 万次）。
命令/地址/数据协议：外部通过 SPI 命令（如 0x03 读，0x02 页编程）控制。

3. SPI 总线协议与硬件连接

3.1 SPI 信号线

信号	方向	说明
SCK	Master → Slave	时钟，由 Master 产生
SS	Master → Slave	片选，低电平有效
MOSI	Master → Slave	Master 输出，Slave 输入
MISO	Slave → Master	Slave 输出，Master 输入

3.2 SPI 通信参数

时钟极性（CPOL）：空闲时 SCK 电平（0=低，1=高）。
时钟相位（CPHA）：数据采样边沿（0=上升沿，1=下降沿）。
位序：MSB First 或 LSB First。
帧长度（CHAR_LEN）：一次传输的位数（如 8/16/64 位）。

3.3 SPI Master 的双重身份

作为 APB/AXI 从机：接收 CPU 的寄存器访问（地址 0x1000_1000 起）。
作为 SPI 主机：驱动物理 SPI 引脚与 Flash 通信。

4. ysyxSoC 中的 Flash 硬件实现

4.1 SPI 控制器顶层模块 `spi_top_apb.v`

功能：将 APB 总线请求转换为 SPI 时序，支持普通 SPI 驱动和 XIP 模式。
地址译码：
- 0x1000_1000~0x1000_1fff：SPI 控制器寄存器，供软件驱动访问。
- 0x3000_0000~0x3fff_ffff：Flash 存储空间映射，由 XIP 硬件状态机自动处理。
XIP 状态机：
- init_div_t、init_ss_t、init_ctrl_t：上电自动初始化 SPI 配置（时钟分频、片选、控制字）。
- idle_t：等待 CPU 对 Flash 空间的读请求。
- write_cmd_t：自动将 0x03（读命令）+ 24 位地址写入 SPI 发送 FIFO。
- start_trans_t：触发 SPI 传输（写 GO_BUSY 位）。
- wait_trans_t：等待 spi_irq_out 中断信号（传输完成）。
- read_data_t：从 SPI 接收 FIFO 读取 32 位数据，通过 APB 返回给 CPU。

4.2 `FAST_FLASH` 宏（仿真加速）

定义该宏：跳过真实 SPI 时序，通过 DPI-C 调用 C 函数 flash_read() 查表返回数据，仿真速度极快，适合运行 Coremark 等大型程序。
注释该宏：启用真实硬件状态机，SPI 引脚翻转，仿真速度大幅降低，但时序真实。

4.3 中断等待 vs 轮询

代码中 wait_trans_t 依赖 spi_irq_out 中断信号，而非轮询状态寄存器。
优点：总线空闲、功耗低、响应快速。
初始化时 spi_ctrl_ie = 1'b1 使能中断。

5. 软件驱动：通过 SPI 访问 Flash

5.1 SPI 初始化（`init_spi`）

void init_spi(uint32_t spi_clock, uint8_t spi_ss, uint8_t char_len,
              uint8_t tx_neg, uint8_t rx_neg, uint8_t lsb) {
    // 配置除数寄存器（SPI_CLK_DIV）
    uint32_t divisor = SYS_CLK / (2 * spi_clock) - 1;
    *(volatile uint32_t *)(SPI_BASE + SPI_DIV) = divisor;
    // 配置片选寄存器
    *(volatile uint32_t *)(SPI_BASE + SPI_SS) = spi_ss;
    // 配置控制寄存器（CHAR_LEN, TX_NEG, RX_NEG, LSB, IE, ASS）
    uint32_t ctrl = (char_len << 16) | (tx_neg << 14) | (rx_neg << 13) |
                    (lsb << 12) | (1 << 8) | (1 << 7); // IE=1, ASS=1
    *(volatile uint32_t *)(SPI_BASE + SPI_CTRL) = ctrl;
}

5.2 软件版 `flash_read`（驱动 SPI master）

uint32_t flash_read(uint32_t addr) {
    uint8_t tx_buf[8] = {0x03, (addr>>16)&0xFF, (addr>>8)&0xFF, addr&0xFF};
    spi_tx(tx_buf, 64);      // 发送 64 位（命令+地址+4字节dummy）
    spi_tx_start();          // 触发传输
    spi_rx(rx_buf, 64);      // 阻塞等待完成
    // 提取后 4 字节（Flash 返回的数据）
    return (rx_buf[4]<<24) | (rx_buf[5]<<16) | (rx_buf[6]<<8) | rx_buf[7];
}

5.3 直接指针 XIP 读取（硬件自动处理）

uint32_t data = *(volatile uint32_t *)0x30001000;  // 触发硬件 XIP 状态机

6. 链接脚本与程序布局

6.1 传统 MROM 模式（代码在 MROM，数据在 SRAM）

MROM (rx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 4K
SRAM (rw) : ORIGIN = 0x0f000000, LENGTH = 8K
SECTIONS {
    .text : { *(.text) } > MROM
    .rodata : { *(.rodata) } > MROM
    .data : { *(.data) } > SRAM AT> MROM
    .bss : { *(.bss) } > SRAM
}

6.2 XIP 模式（代码在 Flash，数据仍在 SRAM）

FLASH (rx) : ORIGIN = 0x30000000, LENGTH = 16M
SRAM (rw) : ORIGIN = 0x0f000000, LENGTH = 8K
SECTIONS {
    .text : { *(.text) } > FLASH      /* 直接运行在 Flash */
    .rodata : { *(.rodata) } > FLASH
    .data : { *(.data) } > SRAM AT> FLASH   /* 初始值在 Flash，运行在 SRAM */
    .bss : { *(.bss) } > SRAM
    _sdata_lma = LOADADDR(.data);      /* 供启动代码搬运数据 */
    _stack_top = ORIGIN(SRAM) + LENGTH(SRAM);
}

6.3 启动代码（`start.S`）必须执行

设置栈指针 sp = _stack_top。
清空 BSS 段。
从 _sdata_lma（Flash）搬运 .data 到 _sdata（SRAM）。
跳转 main。

7. 仿真环境设置

7.1 `sim_main.cpp` 中的 Flash 数组

#define FLASH_SIZE (16 * 1024 * 1024)
static uint8_t flash_data[FLASH_SIZE];

void init_flash() {
    FILE *fp = fopen("program.bin", "rb");
    fread(flash_data, 1, file_size, fp);
    fclose(fp);
}

7.2 DPI-C 回调（`FAST_FLASH` 模式）

extern "C" void flash_read(int32_t addr, int32_t *data) {
    uint32_t offset = addr & 0x00FFFFFF;
    *data = (flash_data[offset] << 24) | (flash_data[offset+1] << 16) |
            (flash_data[offset+2] << 8) | flash_data[offset+3];
}

8. 性能优化与堆区调整

8.1 Coremark 运行缓慢

原因：关闭 FAST_FLASH 后，XIP 状态机模拟 SPI 时序，取指极慢。
解决：在 spi_top_apb.v 中定义 FAST_FLASH 宏，启用 DPI-C 快速模式。

8.2 Microbench 堆区不足

原因：SRAM 仅 8KB，栈和堆共享，microbench 某些子项（如 malloc）需要大块堆。
解决：在链接脚本中扩大堆区，压缩栈空间：
```
_heap_start = _ebss;
_heap_end = ORIGIN(SRAM) + LENGTH(SRAM) - 512;  // 仅预留 512 字节栈
```
或修改 microbench 源码跳过内存密集型测试。

9. 学号 CSR 的添加

9.1 硬件修改（`csrfile.v`）

// mvendorid: "ysyx" ASCII
stdreg #(.WIDTH(32), .RESET_VAL(32'h79737978)) reg_mvendorid (...);
// marchid: 学号十进制（如 22068888 -> 0x0150BE98）
stdreg #(.WIDTH(32), .RESET_VAL(32'h0150BE98)) reg_marchid (...);

9.2 软件读取

static inline uint32_t csr_read(uint32_t csr) {
    uint32_t val;
    asm volatile ("csrr %0, %1" : "=r"(val) : "i"(csr));
    return val;
}
void print_id() {
    uint32_t vendor = csr_read(0xF11);
    uint32_t arch = csr_read(0xF12);
    printf("ysyx %d\n", arch);  // 输出 "ysyx 22068888"
}

10. 从 Flash 启动（替代 MROM）

10.1 修改复位 PC

在 NPC 顶层将 RESET_VECTOR 从 0x20000000 改为 0x30000000。

10.2 程序烧录

将 program.bin 放入 flash_data[0] 起始位置。
仿真环境 init_flash() 加载该文件。

10.3 验证

仿真复位后 PC = 0x30000000，硬件 XIP 状态机自动取指。
若输出正常字符或运行 Coremark，即成功。

11. 常见问题与避坑指南

问题	原因	解决方案
仿真极慢	关闭了 `FAST_FLASH`	定义 `FAST_FLASH` 宏
程序跑飞	栈溢出或数据段未搬运	检查 `start.S` 中 `.data` 搬运和栈顶设置
`printf` 不输出	未初始化 UART	在 `main` 开头调用 `init_uart(115200)`
Flash 读回值错误	字节序或命令格式错误	确认 `flash_read` 按 MSB 组合，地址低 24 位提取
XIP 取指死锁	在 Flash 中执行软件 SPI 驱动	使用指针直接访问，勿混用 XIP 和软件驱动
DiffTest 失败	NEMU 未同步 `mvendorid`/`marchid`	在 NEMU CSR 中添加相同值

12. 总结

通过引入 SPI Flash，ysyxSoC 实现了：

大容量程序存储（16MB），远超 MROM 的 4KB。
可重复编程，支持快速迭代和固件更新。
XIP 就地执行，无需搬运即可运行，降低启动延迟。
硬件状态机自动化，软件透明访问 Flash 映射地址。
中断等待机制，降低功耗，提升总线利用率。

同时，通过 FAST_FLASH 宏平衡仿真速度，通过链接脚本分离代码与数据区，通过 CSR 标识芯片身份，ysyxSoC 已具备“真实芯片级”的启动和存储管理能力。这一系列设计为后续运行 Coremark、RTOS 乃至 Linux 奠定了坚实基础。

posted @ 2026-07-16 17:10 mo686 阅读(8) 评论(0) 收藏举报

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