痞子衡嵌入式：简析i.MXRT1170 Cortex-M4 L-MEM ECC功能特点、开启步骤、性能影响

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　　大家好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家分享的是恩智浦i.MXRT1170上Cortex-M4内核的L-MEM ECC功能。

　　本篇是 《简析i.MXRT1170 Cortex-M7 FlexRAM ECC功能特点、开启步骤、性能影响》 的姊妹篇，我们知道i.MXRT1170是双核MCU，主核Cortex-M7的TCM ECC由FlexRAM模块负责，那么从核Cortex-M4的TCM有没有ECC呢？如果有的话，是由哪个模块负责的呢？本篇给你解答。
　　老规矩先来看一下Cortex-M4下的系统内存映射表，不同类型的存储由不同的ECC控制器来守护，从表中看，CM4的TCM也是有ECC功能的，ECC功能集成在了L-MEM控制器里，所以今天我们来聊一聊L-MEM的ECC功能。

一、L-MEM ECC功能简介

1.1 L-MEM特点

　　我们先来看下i.MXRT1170的CM4内核系统框图，L-MEM是专门为CM4内核设计的，其管理的TCM空间仅能由CM4访问。在框图中，L-MEM中物理SRAM总大小是256KB，细心的你可能发现了上面那张系统内存映射表中还有个256KB OCRAM(M4)，这个OCRAM与L-MEM是什么联系？其实它俩指向的是同一块物理SRAM，只不过CM4内核是从TCM地址空间直接访问SRAM，而从OCRAM(M4)地址空间去访问SRAM相当于多绕了一级（速度变慢，所以不建议CM4访问OCRAM(M4)空间，这个地址空间主要是给CM7访问的）。
　　我们知道支持ECC功能，需要有额外空间来存储ECC校验值，那么L-MEM的ECC校验值是存在哪里的呢？关于这个细节在下一节里展开聊。

1.2 关于ECC设计细节

　　关于ECC基本概念，参看《简析i.MXRT1170 Cortex-M7 FlexRAM ECC功能特点、开启步骤、性能影响》 的 1.2节，这里不予赘述。

1.2.1 ECC检验能力

　　L-MEM中每4bytes数据就会计算出一个ECC校验值（7bits），ECC校验值都被放在了ECC RAM区域里。这里必须要特别介绍一下ECC RAM区域，不同于FlexRAM ECC会有专门的独立RAM空间用于存放ECC校验值，L-MEM的ECC校验值是紧跟着放在每个32bit数据后面的，用户访问到的L-MEM是32bit数据线，但其实芯片内部设计L-MEM是39bit数据线，其中高7bit就是专门用来存放ECC校验值的。

存储类型	ECC校验数据块大小	ECC校验值长度	ECC校验能力
Raw NAND	512 bytes	4 bytes	5-bit检错，4-bit纠错
L-MEM	4bytes	7bits	2-bit检错，1-bit纠错

1.2.2 ECC错误触发处理

　　关于ECC错误处理，可根据如下MCM寄存器（不要怀疑，L-MEM ECC的控制就是在MCM里实现的）来操作，首先当然是在LMPECR寄存器中使能multi-bit ECC Error，当有2-bit及以上错误发生时，系统会触发NonMaskableInt_IRQn（中断号是-14），在中断处理程序里找到相应的发生ECC错误的地址，对这个地址重新写一次初始化数据（按ECC校验块长度一次性写入），最后清除LMPEIR寄存器里的相应状态位。
　　需要注意的是，上述处理流程仅对L-MEM中存放的是普通业务数据且发生ECC错误时有效，如果ECC错误发生在关键代码段或变量段中，这个处理是不适用的，因为这种ECC错误可能会造成程序崩溃。

Offset	Register
400h	TCRAML ECC control Register (LMDR0)
404h	TCRAMU ECC control register (LMDR1)
480h	Local Memory Parity & ECC Control Register (LMPECR)
488h	Local Memory Parity & ECC Interrupt Register (LMPEIR)

二、开启L-MEM ECC的步骤

　　L-MEM ECC需要按照标准步骤去开启，需要特别注意的是开启ECC操作的代码不能放在待开启ECC的L-MEM空间里，因此不管是XIP还是Non-XIP应用程序，最好是用一个二级loader（这个loader可以链接在固定OCRAM1/2空间里，或者XIP）来完成ECC开启操作然后再加载应用程序执行。痞子衡给了如下示例loader代码工程，代码里主要有四个步骤：

参考代码：https://github.com/JayHeng/cortex-m-apps/blob/master/apps/coremark_imxrt1176/cm4_loader/loader.c

2.1 激活L-MEM ECC特性

　　芯片出厂，默认是没有激活L-MEM ECC特性的，如果需要开启L-MEM ECC，需要烧写efuse，fusemap中0x840[2]对应的是MECC_ENABLE bit，这个bit不仅控制MECC模块，也同时控制了L-MEM ECC特性，我们需要将这个bit烧写成1，才能激活L-MEM ECC特性。

2.2 使能L-MEM的ECC

　　现在需要使能L-MEM ECC，在i.MXRT1170参考手册里的MCM章节可以找到LMDR0/1寄存器定义，其中bit3就是用来分别控制TCRAML（对应ITCM）和TCRAMU（对应DTCM）的ECC开关。特别注意，这里的MCM模块寄存器仅能在CM4下被访问。

　　操作函数代码如下：

void enable_lmem_tcm_ecc(void)
{
    // Check eFuse 0x840[2] - MECC_ENABLE bit
    while (!(OCOTP->HW_OCOTP_FUSE004 & 0x4));

    // MCM->LMPECR[9,1] - Enable TCRAM ECC 1-bit/Multi-bit IRQ
    *(uint32_t *)0xE0080480 |= 0x303;

    // MCM->LMDR0[3] - Enable TCRAML ECC
    *(uint32_t *)0xE0080400 |= 0x0B;        /* Enable CM4 TCRAM_L ECC */
    // MCM->LMDR1[3] - Enable TCRAMU ECC
    *(uint32_t *)0xE0080404 |= 0x0B;        /* Enable CM4 TCRAM_U ECC */
}

2.3 初始化L-MEM的ECC值

　　L-MEM ECC开启了之后，此时还不能随机访问L-MEM，因为初始ECC校验值还没有填充，如果这时候去读L-MEM会产生错误。我们首先需要将会用到的L-MEM空间全部初始化一遍（就是以ECC校验数据块大小对齐方式从头到尾写入一遍，写入内容不限，正常用全0）。
　　操作函数代码如下：

#define ITCM_START   0x1FFE0000
#define ITCM_SIZE    (128*1024U)
#define DTCM_START   0x20000000
#define DTCM_SIZE    (128*1024U)

void init_lmem_itcm_ecc(void)
{
    for (uint32_t i = 0; i < ITCM_SIZE; i += sizeof(uint32_t))
    {
        *(uint32_t *)(ITCM_START + i) = 0;
    }
}

void init_lmem_dtcm_ecc(void)
{
    for (uint32_t i = 0; i < DTCM_SIZE; i += sizeof(uint32_t))
    {
        *(uint32_t *)(DTCM_START + i) = 0;
    }
}

2.4 加载应用程序执行

　　当L-MEM初始ECC校验值已经被填充之后，此时便可以正常随机读写L-MEM了。如果此时加载的是一个在ITCM里执行并且data段在DTCM里的应用程序，可以参考痞子衡前面给出的示例loader工程。
　　这是loader工程完整主函数代码，其中memcpy那一句代码里的cm4_app_code是应用程序binary数组（用Python脚本将应用程序工程生成的.bin文件转换成C语言数组放到loader工程源文件里）。

#define APP_START 0x1FFE0000U

int main(void)
{
    enable_lmem_tcm_ecc();
    init_lmem_itcm_ecc();
    init_lmem_dtcm_ecc();

    // Copy image to RAM.
    memcpy((void *)APP_START, cm4_app_code, APP_LEN);
    
    uint32_t appStack = *(uint32_t *)(APP_START);
    uint32_t appEntry = *(uint32_t *)(APP_START + 4);

    // Turn off interrupts.
    __disable_irq();

    // Set the VTOR to default.
    SCB->VTOR = APP_START;

    // Memory barriers for good measure.
    __ISB();
    __DSB();

    // Set main stack pointer and process stack pointer.
    __set_MSP(appStack);
    __set_PSP(appStack);

    // Jump to app entry point, does not return.
    void (*entry)(void) = (void (*)(void))appEntry;
    entry();
}

三、ECC对内存访问性能的影响

　　L-MEM开了ECC后，访问性能会有一定降低，毕竟数据访问中插入了额外的ECC校验工作，不过据说影响非常小。我们来做个测试，痞子衡就用经典的benchmark程序（Coremark）来测试ECC对L-MEM的影响，测试工程如下：

Coremark工程：https://github.com/JayHeng/cortex-m-apps/tree/master/apps/coremark_imxrt1176/bsp/build7804_cm4_loader

　　需要特别提醒的是，我们知道i.MXRT1170 CM4内核最高可以配置到480MHz，但是开了L-MEM ECC后，为了保证访问可靠性，此时CM4内核最好是工作在360MHz，下面的coremark结果也是在360MHz主频下得到的：

Benchmark类型	L-MEM ECC开关	Benchmark结果
coremark	关闭	Total ticks : 813867 Total time (secs): 25.433344 Iterations/Sec : 1179.553907 Iterations : 30000 CoreMark 1.0 : 1179.553907
coremark	开启	Total ticks : 813868 Total time (secs): 25.433375 Iterations/Sec : 1179.552458 Iterations : 30000 CoreMark 1.0 : 1179.552458

　　从benchmark结果来看，ECC是否开启对性能影响特别小，可以忽略，当然benchmark测试并不是特别精确地反映了性能影响，底下有空痞子衡会再专门用memcpy函数来测试性能影响。

　　至此，恩智浦i.MXRT1170上Cortex-M4内核的L-MEM ECC功能痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~

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