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-S3 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。

在 ESP32-S3 上，启用配置选项 CONFIG_SPIRAM_XIP_FROM_PSRAM （默认禁用）后将允许 flash/PSRAM 的 cache 访问和 SPI1 的操作并发执行。请参阅 在 PSRAM 中执行代码，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。

备注

启用 CONFIG_SPIRAM_XIP_FROM_PSRAM 选项后，不会禁用 cache。

为避免意外读取 flash cache，一个 CPU 在启动 flash 写入或擦除操作时，另一个 CPU 将阻塞。在 flash 操作完成前，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。

在 PSRAM 中执行代码

启用 CONFIG_SPIRAM_XIP_FROM_PSRAM 选项后，flash 中 .text 部分的数据（用于指令）和 flash 中 .rodata 部分的数据（用于只读数据）将被放入 PSRAM。

相应的虚拟内存地址将被映射到 PSRAM。

如果同时启用以上两个选项，则在 SPI1 flash 操作期间 cache 不会被禁用，无需确保 ISR、ISR 回调及相关数据放置在内部 RAM 中。

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