芯片的XIP与BootRom启动方式

XIP：execute in place，就地执行，即芯片内执行，指应用程序可以直接在flash闪存中取指然后译码、执行，不必再把代码读到系统RAM中，flash内执行时指Nor flash不需要初始化，可以直接在flash内执行代码，但往往只执行部分代码，比如用于初始化RAM等。所谓片内执行不是说程序在存储器内执行，CPU的基本功能是取指、译码、运行。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

Intel于1988年首先开发出NOR Flash 技术，彻底改变了原先由EPROM(Electrically Programmable Read-Only-Memory电可编程序只读存储器)和EEPROM(电可擦只读存储器Electrically Erasable Programmable Read - Only Memory)一统天下的局面。紧接着，1989年，东芝公司发表了NAND Flash 结构，强调降低每比特的成本，有更高的性能，并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。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。

XIP启动与BootRom启动

CPU执行代码是指执行存储在其内存中的代码指令的过程。CPU从高速指令缓存中取出指令，对其进行解码，然后执行指令指定的操作。CPU一条一条地读取指令，执行指令指定的操作，然后继续执行下一条指令，直到程序结束。那这和启动方式有啥关系？不同的启动方式，决定了高速指令缓存里面的指令从哪里来。

XIP eXecute In Place启动

XIP技术需要CPU和flash同时支持, 要能够实现XIP，Flash应该是并行总线接口挂在AMBA上，这个并行总线应有独立的地址线和数据线，且地址线宽度跟Flash大小相对应，类似于DDR或SRAM总线。那么SPI NorFlash为什么能实现XIP，答案就是FlexSPI外设，也就是说需要CPU具备特殊的SPI控制，该控制器实现了串行flash总线到并行总线的转换。为了提升性能控制器内部可以集成类似cache功能的buffer。下图所示为某款CPU的支持XIP的SPI控制器逻辑拓扑。

在这里插入图片描述
XIP启动方式：把指令直接从NorFlash拷贝到芯片的高速指令缓存；

从软件的角度来说，XIP是在外部闪存直接执行代码，就像芯片在内部flash 的地址0x0800 0000直接执行一样，称为“就地执行”。
软件技术实现

用户应用程序代码应链接到目标执行存储器地址（外部QSPI或FMC-NOR闪存）

用户应用程序代码编译的时候链接地址要改成外部闪存的地址，如STM32 H7系统给QSPI Flash在系统总线分配的地址是0x9000 0000，那么代码的地址就要改成0x9000 0000。

例程：该代码是运行在RT-Thread操作系统上的嵌入式系统的启动代码。此代码负责初始化系统，包括 LED0 引脚、闪存和系统缓存。

#include <rtthread.h>
#include <rtdevice.h>
#include <board.h>
#include <drv_common.h>
#include "w25qxx.h"#define DBG_TAG "main"
#define DBG_LVL DBG_LOG
#include <rtdbg.h>/* defined the LED0 pin: PB1 */
#define LED0_PIN    GET_PIN(I, 8)#define VECT_TAB_OFFSET      0x00000000UL
#define APPLICATION_ADDRESS  (uint32_t)0x90000000typedef void (*pFunction)(void);
pFunction JumpToApplication;int main(void)
{/* set LED0 pin mode to output */rt_pin_mode(LED0_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);  //首先使用该rt_pin_mode功能将 LED0 引脚设置为输出模式。/* initialize the flash memory */W25QXX_Init();//使用该函数初始化闪存W25QXX_Init。/* enable the flash memory to be memory-mapped 内存映射 */W25Q_Memory_Mapped_Enable();/* disable instruction cache 禁止指令缓存*/SCB_DisableICache();/* disable data cache 禁止数据缓存 */SCB_DisableDCache();//使用 SCB_DisableICache 和 SCB_DisableDCache 函数禁用指令和数据缓存。 这样做是因为应用程序代码直接从内存映射的闪存中执行，而不是先复制到系统 RAM 中。/* disable the SysTick timer */SysTick->CTRL = 0;//通过将寄存器设置为 0 来禁用 SysTick 计时器。SysTick->CTRL这样做是为了防止计时器在系统启动时生成中断请求。/* set the jump-to-application function to the address of the application's reset handler */JumpToApplication = (pFunction)(*(__IO uint32_t *)(APPLICATION_ADDRESS + 4));//然后将 JumpToApplication 函数设置为应用程序重置处理程序的地址，该地址存储在 APPLICATION_ADDRESS + 4。/* set the main stack pointer (MSP) to the address of the application's initial stack pointer */__set_MSP(*(__IO uint32_t *)APPLICATION_ADDRESS);//使用 __set_MSP 函数将主堆栈指针 (MSP) 设置为应用程序初始堆栈指针的地址。/* jump to the application */JumpToApplication();//最后，系统使用 JumpToApplication 函数跳转到应用程序代码。 main函数末尾的return RT_EOK语句用于表示main函数已成功完成并返回RT_EOK错误代码。 在这种情况下，它没有被使用，因为系统已经跳转到应用程序代码并且不再执行启动代码。return RT_EOK;
}

总体而言，此启动代码为运行在 RT-Thread 操作系统上的嵌入式系统提供了基本设置。它初始化系统，设置闪存，禁用缓存，禁用 SysTick 定时器，并跳转到应用程序代码。该代码使用 rtthread.h、rtdevice.h 和 rtdbg.h 头文件访问 RT-Thread 库中的函数和宏，以及用于特定板和设备的 board.h、drv_common.h 和 w25qxx.h 头文件驱动程序定义。

BootRom启动

从 ROM 引导：这是一种传统方法，其中程序指令存储在只读存储器 (ROM) 芯片中，然后复制到 RAM 中执行。这种方法需要 ROM 和 RAM，但具有只需更换 ROM 芯片即可更新固件的优点。

从SD卡启动：这种方法将固件存储在SD卡上，然后将其复制到RAM中执行。这种方法常用于需要大量固件存储的系统，具有只需更换 SD 卡即可更新固件的优点。

华邦也有SD Nand，把SD卡做成板载的形式，传输性能更好，如果MPU处理音视频性能可以得到释放；当然价格也比同容量的Nand更贵.
从NAND/NOR闪存启动：这种方法将程序指令存储在NAND或NOR闪存芯片中，并将其复制到RAM中执行。这种方法类似于从 ROM 引导，但具有能够在不更换芯片的情况下在系统内更新固件的优点。

Nand Flash启动例程：

#include "stm32f4xx_hal.h"#define NAND_FLASH_ADDRESS 0x70000000void NAND_Start(void)
{/* Disable I cache and D cache */SCB_DisableICache();SCB_DisableDCache();/* Initialize NAND flash */HAL_NAND_Init();/* Get the address of the boot loader from NAND flash */pFunction JumpToApplication = (pFunction)(*(__IO uint32_t *)(NAND_FLASH_ADDRESS + 4));/* Set the main stack pointer to the address in the vector table of the application */__set_MSP(*(__IO uint32_t *)NAND_FLASH_ADDRESS);/* Jump to the application */JumpToApplication();
}

下面简单解释一下代码：

首先禁用I cache和D cache，保证NAND flash数据被正确读取。

HAL_NAND_Init，使用STM32Cube HAL 中的函数初始化 NAND 闪存。

接下来，引导加载程序的地址从 NAND 闪存的地址处获取NAND_FLASH_ADDRESS + 4。该地址应该是引导加载程序向量表的第一个字，其中包含初始堆栈指针 (MSP) 和复位处理程序地址。

然后将主堆栈指针 (MSP) 设置为应用程序向量表的地址。

最后，微控制器通过调用JumpToApplication函数跳转到应用程序。

为什么要禁用I-Cache 和D-Cache?

I-Cache 和 D-Cache 被禁用，以确保处理器可以直接从 NAND 闪存中读取数据和指令。启用缓存后，处理器将在访问 NAND 闪存之前尝试从缓存中读取数据，这可能会导致操作不正确或数据损坏。禁用缓存可确保处理器直接访问 NAND 闪存，并有助于防止因访问可能已过时或与 NAND 闪存中存储的实际数据不一致的缓存数据而导致的任何潜在问题。

解释__set_MSP

__set_MSP 宏是 ARM Cortex-M 处理器系列（包括 STM32 系列微控制器）提供的标准 C 库函数。用于设置主栈指针（MSP）的值，即主栈在内存中的栈顶地址。主栈是处理器在程序执行过程中用来存放函数调用参数、返回地址、局部变量等临时数据的地方。

MSP 是 Cortex-M 处理器架构的重要组成部分，因为它决定处理器在调用函数时从何处开始为新堆栈帧分配内存，以及在函数返回时在何处查找返回地址。

在此代码中，__set_MSP 函数用于使用应用向量表的起始地址初始化 MSP，该向量表存储在闪存中的 APPLICATION_ADDRESS。这样做的目的是确保处理器在执行应用程序代码时使用正确的堆栈和向量表，这些代码存储在闪存中的 APPLICATION_ADDRESS。

NorFlash和Nand Flash对XIP的支持差异？

NorFlash是一种非易失性存储器，支持随机存取，直接从闪存中执行指令。这使其适用于直接从闪存执行指令的 XIP 模式。

另一方面，NAND闪存是一种针对高密度存储进行了优化的存储器，通常用于存储大量数据，但并未针对直接执行指令进行优化。在NAND flash中，指令必须先拷贝到RAM中才能执行，这使得它不太适合XIP模式。

XIP启动与SPI通讯

使用XIP启动方式，SPI通讯在程序启动之后还要一直保持吗？

是的，在系统设计中，建议对启动Flash采用专用通道，不允许复用。

这是因为当高速指令缓存（I-Cache）和高速数据缓存（D-Cache）不够大，有可能无法存放当前程序中所有的指令和数据。因此，芯片必须在程序执行期间不断地从 NorFlash 读取数据，这会降低系统的整体性能。但是，这种方法无需将指令和数据从NorFlash 复制到RAM 中，从而节省了内存空间并缩短了系统启动时间。

如果程序很小，那么程序执行完一个周期之后，所有的指令都被拷贝到了CPU的高速缓存内，往后程序运行的时候将不再从Nor Flash中读取指令和数据，也就释放了对SPI接口的占用。

Flash选型参考维度

NorFlash和NandFlash在项目评估中如何选择,有哪些维度？

首先，最好是Soc厂商支持列表上的芯片，然后参考以下角度。

NorFlash 的优势：

读取速度快：NorFlash 具有快速的随机读取速度，使其适用于 XIP（就地执行）启动模式，在这种模式下，程序直接从闪存中执行。

易于使用：NorFlash 易于与微控制器接口，并具有简单的命令集，使其易于集成到系统中。

高可靠性：NorFlash具有高度的可靠性和稳定性，适合在关键系统中使用。

低功耗：NorFlash 功耗极低，适合用于电池供电设备。

NorFlash 的缺点：

写入速度慢：NorFlash 写入速度慢，不适合需要频繁写入的应用程序。

昂贵：与 Nand Flash 相比，NorFlash 更昂贵。