Nor Flash芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP）
前言：這個(gè)所謂的芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP）對(duì)于我這種一根筋的人是很難理解的，一直總覺得CPU是只能在RAM中運(yùn)行程序，為何能夠在Nor Flash中執(zhí)行程序呢，這里面就有個(gè)概念容易混淆，也可能是翻譯理解的問題。
所謂片內(nèi)執(zhí)行不是說程序在存儲(chǔ)器內(nèi)執(zhí)行，CPU的基本功能是取指、譯碼、運(yùn)行。Nor Flash能在芯片內(nèi)執(zhí)行，指的是CPU能夠直接從Nor flash中取指令，供后面的譯碼器和執(zhí)行器來使用。
NOR Flash和Nand Flash
上面2種flash是現(xiàn)在市場(chǎng)上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。Intel于1988年首先開發(fā)出NOR Flash 技術(shù)，徹底改變了原先由EPROM(Electrically Programmable Read-Only-Memory電可編程序只讀存儲(chǔ)器)和EEPROM(電可擦只讀存儲(chǔ)器Electrically Erasable Programmable Read - Only Memory)一統(tǒng)天下的局面。緊接著，1989年，東芝公司發(fā)表了NAND Flash 結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)降低每比特的成本，有更高的性能，并且像磁盤一樣可以通過接口輕松升級(jí)。NOR Flash 的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP ，eXecute In Place），這樣應(yīng)用程序可以直接在Flash閃存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR 的傳輸效率很高，在1~4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響到它的性能。NAND的結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，可以達(dá)到高存儲(chǔ)密度，并且寫入和擦除的速度也很快。應(yīng)用NAND的困難在于Flash的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口。通常讀取NOR的速度比NAND稍快一些，而NAND的寫入速度比NOR快很多。
這樣我們就知道程序能直接在Nor flash中執(zhí)行的原因就是XIP。
XIP：execute in place，即芯片內(nèi)執(zhí)行，指應(yīng)用程序可以直接在flash閃存中取指然后譯碼、執(zhí)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中，flash內(nèi)執(zhí)行時(shí)指Nor flash不需要初始化，可以直接在flash內(nèi)執(zhí)行代碼，但往往只執(zhí)行部分代碼，比如用于初始化RAM等。
Nand Flash器件的IO口比較少，通過串行地進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)，硬件接口少了，勢(shì)必會(huì)帶來復(fù)雜的軟件成本，一般使用8個(gè)引腳來進(jìn)行傳輸控制、地址和數(shù)據(jù)信息，由于時(shí)序非常復(fù)雜，所以一般CPU最好集成NAND控制器，另外由于Nand flash沒有掛接在地址總線上，所以如果想用Nand flash作為系統(tǒng)的啟動(dòng)盤，就需要CPU具備特殊的功能，比如s3c2440在被選擇為NandFlash啟動(dòng)方式時(shí)會(huì)在上電時(shí)自動(dòng)讀取NandFlash的4k數(shù)據(jù)到地址0的SRAM中。如果CPU不具備這種特殊功能，用戶不能直接運(yùn)行NandFlash上的代碼，因?yàn)槭褂肗and Flash必須要各種初始化，復(fù)雜邏輯。
Nor Flash能夠在片內(nèi)執(zhí)行，Nand Flash不能，區(qū)別如下圖：
Nor Flash 和Nand Flash的片內(nèi)執(zhí)行區(qū)別
這張圖里的很直觀，但是需要用心看，左邊是普通的flash，可以理解成是Nand Flash，CPU想要從Nand Flash中讀取數(shù)據(jù)，必須要先通過在RAM中計(jì)算地址，各種時(shí)序計(jì)算，然后通過MMU轉(zhuǎn)換地址，然后給Nand flash發(fā)送命令，注意是命令，不是地址，Nand Flash根據(jù)命令進(jìn)行相應(yīng)的操作，如果是讀命令，則返回對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)到RAM中，如果是寫命令，則進(jìn)行寫操作。
而右邊的圖，是針對(duì)Nor Flash的，這個(gè)很明顯，CPU可以像讀內(nèi)存一樣，直接跟Nor flash交互，即可以直接從Nor Flash中取指令，然后交給譯碼模塊和執(zhí)行模塊進(jìn)行執(zhí)行，可以說，相比較Nand flash，Nor flash的操作對(duì)于CPU來說，簡(jiǎn)直就像是面對(duì)面一樣。
進(jìn)一步， 為什么Nor Flash可以實(shí)現(xiàn)XIP，而Nand flash就不行呢？
有一個(gè)概念：嵌入式系統(tǒng)中代碼的執(zhí)行方式：
（1）完全映射：嵌入式系統(tǒng)程序運(yùn)行時(shí)，將所有代碼從非易失存儲(chǔ)器（Flash、ROM等）復(fù)制到RAM中運(yùn)行。
（2）按需分頁：只復(fù)制部分代碼到RAM中，這種方法對(duì)RAM中的頁進(jìn)行導(dǎo)入/導(dǎo)出管理，如果訪問位于虛存中但不在物理RAM中會(huì)產(chǎn)生頁錯(cuò)位，這時(shí)才將代碼和數(shù)據(jù)映射到RAM中。
（3）XIP：在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，不將代碼復(fù)制到RAM，而是直接在非易失性存儲(chǔ)位置執(zhí)行，RAM中只存放需要不斷變化的數(shù)據(jù)部分，如下圖所示：
完全映射和XIP的比較
如果非易失性存儲(chǔ)器（Flash）的讀取速度與RAM相近，則XIP可以節(jié)省復(fù)制和解壓的時(shí)間，Nor flash和rom的讀取速度比較看（約100ns），比較適合XIP，而Nand flash的讀取操作是基于扇區(qū)的，速度相對(duì)很慢（us級(jí)），因此不適合實(shí)現(xiàn)XIP系統(tǒng)，不過Nand flash的寫速度比Nor的快，更適合做存儲(chǔ)和下載系統(tǒng)。
解釋二：
兩種芯片的結(jié)構(gòu)不同
- NOR flash之所以可以片內(nèi)執(zhí)行，就是因?yàn)樗螩PU去指令譯碼執(zhí)行的要求。CPU送一個(gè)地址出來，Nor flash就能給出一個(gè)數(shù)據(jù)讓CPU執(zhí)行，中間不需要額外的處理操作。
- NAND flash不一樣是因?yàn)閚and flash有地址，數(shù)據(jù)，命令共用IO口的問題，cpu把地址發(fā)出來之后，并不能直接得到數(shù)據(jù)，還需要控制線的操作才能完成。就是他沒有專用的SRAM接口。
解釋三：
芯片內(nèi)執(zhí)行主要是是看芯片可不可以線性存儲(chǔ)代碼（假如硬件支持芯片接口），只要能保證芯片的存儲(chǔ)空間是線性的（也就是無壞塊），都可以片上執(zhí)行，在讀取Flash時(shí)候，容易出現(xiàn)“位翻轉(zhuǎn)（bitconvert），在Flash的位翻轉(zhuǎn)（一個(gè)bit位發(fā)生翻轉(zhuǎn)）現(xiàn)象上，NAND的出現(xiàn)幾率要比NorFlash大得多。這個(gè)問題在Flash存儲(chǔ)關(guān)鍵文件時(shí)是致命的，所以在使用NandFlash時(shí)建議同時(shí)使用EDC/ECC等校驗(yàn)算法。 ”
但是，如果能保證不出錯(cuò)，也還是可以進(jìn)行XIP，可以在其上執(zhí)行代碼的：
“所謂XIP,就是CODE是在FLASH上直接運(yùn)行. NANDFLASH只是不適合做XIP,但并不是不能做XIP“
要一段CODE能夠正確的運(yùn)行,要保證它的CODE是連續(xù)的,正確的.
由于一些電氣特性的原因,NOR FLASH能夠做到這一點(diǎn),不存在壞道或壞塊,所以能夠做XIP.
而對(duì)于NAND FLASH, 它只保證它的BLOCK 0是好的,其他的塊并不保證,雖然出錯(cuò)的幾率比較低,但還是有出錯(cuò)的可能,所以CODE可能無法連續(xù)正確地執(zhí)行。
但只要你有額外的保障措施,比如說在執(zhí)行CODE之前去做一次ECC校驗(yàn),來確保CODE是連續(xù)正確的.那你也可以做XIP. 有人這么做了,而且也證明是成功的。
編輯：Simon 最后修改時(shí)間：2019-06-26
