SPI1 flash 并发约束

[English]

指令/数据 cache（用以执行固件）与 SPI1 外设（由像 SPI flash 驱动一样的驱动程序控制）共享 SPI0/1 总线。因此，SPI1 外设上的操作会对整个系统造成显著的影响。这类操作包括调用 SPI flash API 或者 SPI1 总线上的其他驱动、任何 flash 操作（如读取、写入、擦除）或是由其他用户定义的 SPI 操作（对主 flash 或是其他 SPI 从机）。

在 ESP32-H2 上，flash 读取/写入/擦除时，必须禁用 cache。

在 ESP32-H2 上，配置选项 CONFIG_SPI_FLASH_AUTO_SUSPEND 允许 flash/PSRAM 的 cache 访问和 SPI1 的操作并发执行。该选项是可选的，依赖于特定的 SPI Flash 型号，因此默认是关闭的。请参阅 flash 自动暂停功能，查看详细信息。

禁用该选项时，在读取/写入/擦除 flash 期间，必须禁用 cache。使用驱动访问 SPI1 的相关约束参见 禁用 cache 时。这些约束会带来更多的 IRAM/DRAM 消耗。

禁用 cache 时

此时，在 flash 擦写操作中，所有的 CPU 都只能执行 IRAM 中的代码，而且必须从 DRAM 中读取数据。如果使用本文档中的 API 函数，上述限制将自动生效且透明（无需额外关注），但这些限制可能会影响系统中的其他任务的性能。

为避免意外读取 flash cache，在 flash 操作完成前，所有 CPU 上，会禁用所有在 CPU 上非 IRAM 安全的中断。

另请参阅 OS 函数 和 SPI 总线锁。

除 SPI0/1 以外，SPI 总线上的其他 flash 芯片则不受这种限制。

请参阅 应用程序内存分布，查看内部 RAM（如 IRAM、DRAM）和 flash cache 的区别。

IRAM 安全中断处理程序

如果需要在 flash 操作期间运行中断处理程序（比如低延迟操作），请在 注册中断处理程序 时设置 ESP_INTR_FLAG_IRAM。

请确保中断处理程序访问的所有数据和函数（包括其调用的数据和函数）都存储在 IRAM 或 DRAM 中。参见 如何将代码放入 IRAM。

在未将函数或符号正确放入 IRAM/DRAM 的情况下，在 flash 操作期间，中断处理程序从 flash cache 中读取数据时，会导致程序崩溃。这可能是因为代码未正确放入 IRAM，产生了非法指令异常，也可能是因为常数未正确放入 DRAM，读取到了垃圾数据。

备注

在 ISRs 中处理字符串时，不建议使用 printf 和其他输出函数。为了方便调试，在从 ISRs 中获取数据时，请使用 ESP_DRAM_LOGE() 和类似的宏。请确保 TAG 和格式字符串都放置于 DRAM 中。

非 IRAM 安全中断处理程序

如果在注册时没有设置 ESP_INTR_FLAG_IRAM 标志，当禁用 cache 时，将不会执行中断处理程序。一旦 cache 恢复，非 IRAM 安全的中断将重新启用，中断处理程序随即再次正常运行。这意味着，只要禁用了 cache，就不会发生相应的硬件事件。

flash 自动暂停功能

重要

  1. 应使用支持暂停/恢复功能的 flash。

  2. 应使用支持自动暂停功能的 MSPI 硬件，即硬件支持自动发送暂停命令。

如果在不支持自动暂停的 flash 上使用该功能，可能会造成严重的程序崩溃。因此，强烈建议提前阅读规格书，确保 flash 至少满足如下条件：

  1. 基于当前软件的实现限制，flash 状态寄存器中的 SUS 位应当位于 SR2 bit7 或 SR bit15。

  2. 基于当前软件的实现限制，flash 暂停命令应为 75H，恢复命令为 7AH。

  3. flash 成功暂停后，除已擦除的段或块外，flash 地址中的任何内容都支持读取。也可以在此种状态下立即下达恢复命令。

  4. flash 从暂停模式恢复后，支持立即下达另一个暂停命令。

启用 CONFIG_SPI_FLASH_AUTO_SUSPEND 后，缓存将保持启用状态，禁用该选项即可禁用缓存。SPI0 和 SPI1 之间的仲裁由硬件决定。当 SPI1 进行读取等耗时较短的操作时，CPU 和缓存将等待至 SPI1 操作完成。然而，在擦除、页面写入或状态寄存器写入等过程中，如 SE、PP 和 WRSR，自动暂停功能将中断正在进行的 flash 操作，使 CPU 得以在有限的时间内读取缓存及 flash 中的数据。

基于此功能，部分的代码及变量现可存放在 flash/PSRAM 中，同时仍能保证在 flash 擦除期间的正常执行，减少了 IRAM/DRAM 的消耗。

需注意，使用此功能暂停/恢复 flash 时，会导致额外开销。在 flash 擦除期间，频繁触发中断将显著延长擦除时间。为避免这种情况，建议调整 FreeRTOS 任务优先级，仅将实时关键的任务排在擦除操作前，从而确保在合理时间内完成 flash 擦除操作。

代码可以分为以下三类：

  1. 关键代码：存放在 IRAM/DRAM 中。这类代码通常有较高的性能要求，与 cache/flash/PSRAM 相关，或者被频繁调用。

  2. 缓存访问的代码：存放在 flash/PSRAM 中。这类代码的性能要求较低，或者较少被调用。flash 擦除时将执行这类代码，导致一定的开销。

  3. 低优先级代码：存放在 flash/PSRAM 中，且在 flash 擦除期间禁止运行。这类代码的任务优先级应低于擦除操作，避免影响 flash 擦除的速度。

关于 flash 自动暂停功能的用法和对应的响应时间延迟，请参考 system/flash_suspend 示例。

备注

由于 flash 自动暂停功能极度依赖时序，其多用作为一种优化方案，而非万能解法。例如 LCD 刷新、蓝牙、Wi-Fi 等场景对实时系统要求较高、或需要频繁触发中断，所以此方案并不适用。建议参照以下步骤，选择搭配 flash 自动暂停功能使用的 ISR 类型：

需注意图中的两个关键值：

  1. ISR 时间 (ISR time)：ISR 时间不能过长，需小于 IWDT 中设置的值。ISR 时间会显著增加擦除/写入操作的完成时间。

  2. ISR 间隔时间 (ISR interval)：由于不能频繁触发 ISR，需格外注意 ISR 间隔时间减去 ISR 时间后的剩余时间 （图中 b 点至 c 点的距离）。在此期间，SPI1 会发送恢复命令重新启动操作，所需准备时间 tsus 的典型值约为 40 us。如果在 SPI1 完成恢复操作前接收到了新的暂停命令，可能导致 CPU 饥饿，触发 TWDT。

对于第 2 点中所提到的 tsus 时间可以通过翻阅 flash datasheets 查找，通常在 AC CHARACTERISTICS 章节中。用户需要保证从 datasheets 获得的 tsus 值不大于 CONFIG_SPI_FLASH_SUSPEND_TSUS_VAL_US 值。

此外，flash 暂停可能延迟。CPU 和缓存通过 SPI0 频繁访问 flash，且 SPI1 频繁发送暂停命令时，会导致 MSPI 数据传输效率下降。可以通过在内部使用 锁 来避免此种情况。当 SPI1 发送暂停命令时，SPI0 将接管内存 SPI 总线并启用锁。SPI0 完成数据传输后，在锁延迟时间结束前，都将保有对内存 SPI 总线的控制权。在此锁延迟期间，如果接收到其他 SPI0 事务，则该 SPI0 事务将正常进行，并开启新一轮锁延迟周期。如无其他 SPI0 事务，则 SPI0 释放内存总线并启动 SPI0/1 仲裁。

suspend-resume 进阶用法

在默认配置下，flash 暂停由硬件自动发出，恢复也由硬件在合适的时机自动完成，并采用基于固定时间的延迟来等待暂停命令生效。这种实现已经可以满足绝大多数场景。然而在某些对实时性、性能或暂停粒度有更高要求的场景下，ESP-IDF 还提供了进阶配置项，用于精细化控制 suspend-resume 行为。

  1. 通过 flash 寄存器自动判断暂停是否生效

通常情况下，硬件在发出暂停命令后，会按 tsus 设定的时间延迟一段时间，再开放内存总线给 SPI0/CPU 使用。该延迟必须按 datasheet 中的最坏情况进行设置，因此在大多数情况下都偏保守。

通过启用 CONFIG_SPI_FLASH_AUTO_CHECK_SUSPEND_STATUS 后，硬件将通过读取 flash 状态寄存器中的 WIP 位，来判断暂停命令是否真正生效，而不再依据 CONFIG_SPI_FLASH_SUSPEND_TSUS_VAL_US 给出的固定时间进行等待。由于实际的暂停建立时间通常远小于 datasheet 给出的最大值，所以这种方式可以显著降低暂停过程中的开销，提升整体性能。

重要

使用前需确认所用 flash 在暂停后 WIP 位的行为符合预期。绝大多数支持 suspend/resume 的 flash 都满足该条件，但仍建议查阅相应 datasheet 进行确认。

  1. 软件控制的 flash resume

通常情况下，硬件在 flash 被暂停后，会自动安排合适的时机发送 resume 命令，让 flash 继续完成原有的擦除/写入操作。这种实现对软件透明，但存在一个副作用：在高优先级任务/中断仍在运行时，硬件可能再次发起 suspend/resume 流程，从而打断这些任务，影响其执行的连续性与时序。

通过启用 CONFIG_SPI_FLASH_SOFTWARE_RESUME 后，硬件自动 resume 功能将被关闭，flash 的恢复操作改由软件在合适的时机主动发出。此时，flash 在被暂停后将一直保持暂停状态，直到软件显式恢复。在 SPI1 的等待空闲流程中，软件会主动检查 flash 的 suspend 状态，若发现处于暂停状态则调用驱动的 resume 接口让 flash 重新开始原有操作。这意味着只有当高优先级任务或中断真正完成、软件回到 SPI1 操作上下文时，才会发出 resume，从而避免 suspend-resume 行为在高优先级路径上反复抢占总线。

由于该机制依赖软件层在确定的执行点完成 resume，且当前实现没有针对多核做相应保护，因此该选项有以下限制：

  • 仅支持单核场景，需要使能 CONFIG_FREERTOS_UNICORE。

  • 属于实验性功能，需要使能 CONFIG_IDF_EXPERIMENTAL_FEATURES 后才能可见。

  • 该功能会提升中断响应的连续性，提升应用的性能。但同时，单次操作 flash 的耗时会上升。

此文档对您有帮助吗？