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记一次 spinor flash 读速度优化

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zqb_all
发布于 2020-05-18 14:53:36
发布于 2020-05-18 14:53:36
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背景

某个项目使用的介质是 spinor, 其 bootloader 需要从 flash 中加载 os。

启动速度是一个关键指标,需要深入优化。其他部分的优化暂且略过,此篇主要记录对 nor 读速度的优化过程。

了解现状

接到启动速度优化的任务之后, 首先是了解情况。

当前的 bootloader 实测读速度只有约 4M/s。

为了加快速度已经尝试过

  • spinor 驱动改为使用四线读命令读取数据。速度并没有明显改善。待确认改动是否生效。
  • spinor 驱动改为使用 dma 搬运数据。尚未修改成功。

计算上限

既然是要深入优化,那知道终点在哪还是很有必要的。

整个读取过程,数据主要是从 spinor 到达 soc 的 spi 控制器,再由 cpu 或 dma 搬运到 dram 中的目标位置。

代码语言:javascript
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 spinor --> spi控制器 --> cpu/dma --> dram

先来考虑第一段的速度,这里比较好计算。针对当前的 soc 和 flash 的组合,从规格书可得到最高的 spi 时钟频率为 100M = 100 * 10^6,且读数据可使用 4 线读取,即 soc 和 flash 之间有 4 根数据线在并行传输数据。那么简单算下 100 * 10^6 * 4bit = 400 * 10^6 bit/s = 47.68 MB/s , 可知极限速度为 47.68 MB/s。

当然较真一点,发送读命令给 flash 也需要时间,让我们来算下。

一般一个读命令需要 5 bytes, 即 cmd + addr[3] + dummy,所以实际的极限速度要考虑每发一次读命令后读取多少数据。读命令是单线传输的,数据是四线传输。假设发一次命令读 nbytes 数据,则命令和数据所占时间的比例为 5:(n/4), 那么实际用于传输数据的 clk 就只有 (n/4) / (5 + n/4) * 100M。4 线传输的情况下每个 clk 可传输 4bit,从 bit 换算成 byte 再除以 8,于是速度公式为 (n/4) / (5 + n/4) * 100M * 4 / 8 , 这里要注意对于大小 1MB = 1024*1024 Byte, 对于时钟 100M = 10^6。

代入一些具体数据可得

每次读取bytes

读速度

64

36.33 MB/s

256

44.23 MB/s

1024

46.77 MB/s

64k

47.67 MB/s

1M

47.68 MB/s

可以看出,如果每次读取数据量较小,那么发送读命令消耗的时间就不可忽视。每次读取的数据量越大,则读命令对速度造成的整体影响就越小。

后面的部分理论速度暂时没有很明确的计算方式,那暂时先知道完整的数据是这么流动的就可以了。

确认瓶颈

看了下驱动打印出来的确实是 80M 的 clk 和 4 线的读命令,虽然还没调到最高时钟 100M,但当前 4M/s 也完全对不上,到底是谁出了问题呢?时钟不对?四线没配置成功?驱动存在 bug? nor flash 物料的问题?

思考一下,要确认到底是谁的锅,最简单明了的方式还是量下波形,不管软件驱动上怎么写,控制器的寄存器怎么配,最终还是得反映在波形上才是最真实的传输效果。接上示波器或逻辑分析仪,看看 spi 线上的情况,是谁的问题就一目了然了。

首先量一下 spi clk 线,可以发现读数据的过程中,clk 的信号不是连续的,在有信号时其频率是正常的,但大部分时间 clk 线上却是没有信号的。再量量数据线,可以确认到确实使用了 4 线读。

问题很明显,spi 控制器是在间歇性读数据,所以虽然读 nor 的时候是 80M 的时钟频率进行读取,但把 spi 的空闲时间计算进去,均摊下来的总的速度就只有 4M/s 了。

那为什么 spi 控制器会间歇性读取而不是一直在读取呢? 这就涉及到刚刚所说的数据流了,spi 控制器本身的 fifo 是有限的,当从 spinor 读取的数据填满 fifo 之后,就必须等着 cpu/dma 把数据取走,腾出 fifo 空间来,才能继续发送指令从 nor 取数据。那么这段空闲时间,应该就是在等 cpu/dma 取数据了。

验证 CPU

有了怀疑方向,那就得看下代码了。目前驱动中使用的是 cpu 来搬运数据,正常读取过程中,cpu 在执行以下代码

代码语言:javascript
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while 待读取数据计数值大于0
    if (查询spi寄存器,判断到fifo中存在数据)
        读取spi fifo寄存器数据,写到dram的buffer中
        待读取数据计数值减1

如果是这里成为了瓶颈,那就有两个地方比较有嫌疑,一是读取 spi 寄存器,而是写 dram。

做点实验确认下

实验一,尝试下把写 dram 的操作去掉,使用如下操作,并由读取前后的 log 时间戳来判断耗时。

代码语言:javascript
复制
while 待读取数据计数值大于0
    if (查询spi寄存器,判断到fifo中存在数据)
        读取spi fifo寄存器数据
        待读取数据计数值减1

重新测试下,发现速度没有明显变化。

实验二,尝试下减少读 spi 寄存器的操作

代码语言:javascript
复制
while 待读取数据计数值大于0
    读取spi fifo寄存器数据
    待读取数据计数值减1

重新测试下,发现读速度翻倍了,达到了 8M/s,看来果然是这里成为了瓶颈。没想到 cpu 读个 spi 寄存器竟然这么耗时。

改用 DMA

cpu 太慢,那就指望 dma 了。

先来解决 dma 驱动异常问题,了解下情况,原来这个 dma 驱动的支持是从另一个分支上移植过来的,原本工作正常,到了这个分支就翻车了。

这就是一个找不同的问题了,先比较下两个分支的差异,再将可疑的地方 checkout/cherry-pick 到另一个分支来验证。很快找到了关键因素 dcache。

这个分支上是默认打开了 dcache 的,可见旧文 记一个bootloader的cache问题,而这就导致了 dma 驱动工作异常。

简单点,关掉 dcache 试试,果然 dma 就正常了。测下速度,达到了 21M/s。

再测试下不关 dcache,在配置了 dma 描述符之后,刷一次 cache 再启动 dma 传输,也是正常的了。

优化配置

21M/s 的速度,看来瓶颈还是在 dma 这里。此时可以尝试将 spi clk 从 80M 提高到 100M,可以发现整体读速度没有变化,这也可以佐证当前瓶颈仍然不在 nor 的读取速度上面。

测个波形看看,果然 clk 线上还是间歇性的,不过空闲时间比之前少了很多。

dma 的速度能不能改进呢? 这就涉及到具体的芯片了,需要深究下 dma 控制器和 spi 控制器的配置。

优化 dma 和 spi 控制器的配置后,dma 从 spi 控制器取数据的速度,终于超过了 80M 时钟下的 spinor 读取速度,将 spi clk 修改为 100M,测得读速度约 36M/s。

优化驱动

前面说到,发送读命令给 flash 也需要时间,在 os 中受限于 buffer 大小等,可能会限制每次读取和处理的数据量,但对于 bootloader 来说则完全可以一口气将所需的数据读入,无需分段。

另外可查看驱动中是否有无用的清空 buffer 之类的操作,一并优化掉。

提高时钟

驱动逻辑和寄存器上无法优化之后,还想提速,那么可以试试提高时钟。

提高 cpu 时钟和 dma 时钟,提高后测得速度约 47M/s,基本就是理论极限了。

但具体能否提高时钟还是得谨慎评估,单个板子可以正常运行,不意味能够稳定量产。

压缩镜像

在读取速度无法进一步优化的情况下,要提高启动速度,那就得减少读入的数据量了。

可以评估下使用压缩的镜像来减少读入的数据量,只要多出的解压时间不长于节省掉的读取 flash 时间,那就是划算的。

是否压缩,选择哪种压缩算法,就跟 io 速度,cpu 解压速度直接相关了,最好经过实测确认,综合启动速度和 flash 占用来选择。

其他

如果是带压缩的镜像,那启动速度就是读取时间+解压时间。

读取时主要是 io 操作,解压则主要是 cpu 操作。那么是否有可能实现边读取边解压,使得总的启动时间进一步缩短呢?这个待研究

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原始发表:2020-05-10 ,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除
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