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SPI NAND驅(qū)動性能測試分析與優(yōu)化 (qq.com)

一.前言

https://mp.weixin.qq.com/s/hgogGTFzBDx83sFjDX8lVw一文中我們詳細介紹了SPI NAND,也實現(xiàn)了相關(guān)的驅(qū)動(如果需要驅(qū)動源碼可以和我聯(lián)系)。X1和x4模式的擦除，寫，讀等都測試OK了?，F(xiàn)在我們需要進行性能測試和優(yōu)化。https://mp.weixin.qq.com/s/uLraKF5kWMTHLpTggh2Q4Q一文中也介紹了ONFI。

二. 性能測試

既然是追求性能,所以我們后面就都基于X4模式進行了。

我們分別進行擦除，寫，讀全盤測試(128MB),然后使用定時器計算操作的時間。

性能測試代碼如下:

nand_set_qe(1,3); /* 使能QE模式 */
    /* 擦除 */
    pre = iot_timer_get_time();
    for(uint32_t block=0; block <   dev.blocks_per_lun*dev.luns; block++)
    {
        if(0 != (res = nand_block_erase(block*dev.pages_per_block)))
        {
            iot_printf("block %d erase err

",block,res);
        }
    }
    cur = iot_timer_get_time();
    if(cur <   pre)
    {   
        used = 0xFFFFFFFF - pre + cur;
    }
    else
    {
        used = cur-pre;
    }
    printf("erase time:%duS

",used);

    /* 編程 */
    memset(w_buffer,0xFF,sizeof(w_buffer));
    w_buffer[dev.page_size] = 0xFF;  /* 壞塊標志不能擦除 */
    pre = iot_timer_get_time();
    for(uint32_t block=0; block <   dev.blocks_per_lun*dev.luns; block++)
    {
        for(uint32_t page=0; page<  dev.pages_per_block; page++)
        {
            if(0 != (res = nand_write_page_x4(w_buffer, block*dev.pages_per_block+page, 0, dev.page_size+dev.page_spare_size)))
            {
                iot_printf("write page %d err %d

",block*dev.pages_per_block+page,res);
            }
        }
    }
    cur = iot_timer_get_time();
    if(cur <   pre)
    {   
        used = 0xFFFFFFFF - pre + cur;
    }
    else
    {
        used = cur-pre;
    }
    printf("write time:%duS

",(cur-pre));

    /* 讀 */
    pre = iot_timer_get_time();
    for(uint32_t block=0; block <   dev.blocks_per_lun*dev.luns; block++)
    {
        for(uint32_t page=0; page<  dev.pages_per_block; page++)
        {
            if(0 != (res = nand_read_page_x4(r_buffer, block*dev.pages_per_block+page, 0, dev.page_size+dev.page_spare_size)))
            {
                iot_printf("write page %d err %d

",block*dev.pages_per_block+page,res);
            }
        }
    }
    cur = iot_timer_get_time();
    if(cur <   pre)
    {   
        used = 0xFFFFFFFF - pre + cur;
    }
    else
    {
        used = cur-pre;
    }
    printf("read time:%duS

",(cur-pre));

測試結(jié)果如下

對于寫

128MB花了17.40S

所以速度是7.36MB/S

三. 性能分析

我們使用邏輯分析儀抓取總線波形，用于進行性能分析

參考文章https://mp.weixin.qq.com/s/bCdgCNsGPbYjSzjv8VJyRA

我們以編程為例，擦除和讀類似。

編程PAGE的代碼如下，有三個步驟

即先寫數(shù)據(jù)到CACHE，然后寫使能，最后執(zhí)行CACHE到PAGE的數(shù)據(jù)編程。

int nand_write_page_x4(uint8_t* buffer, uint32_t pageaddr, uint16_t start, uint16_t len)
{
    int res = 0;
    res = nand_write_to_cache_x4(start, len, buffer);
    if(res == 0)
    {
        res = nand_write_enable();
        if(res == 0)
        {
            res = nand_write_cache_to_page(pageaddr,NAND_PROG_CHECK_RETRY);
            if(res == 0)
            {
                return 0;
            }
            else
            {
                return -3;
            }
        }
        else
        {
            return -2;
        }
    }
    else
    {
        return -1;
    }
}

查看邏輯分析儀抓取到的數(shù)據(jù)如下，對應(yīng)如下三個步驟

(1)總線上寫數(shù)據(jù)到NAND的Cache

(2)寫使能，并查詢寫使能OK

(3)執(zhí)行CACHE到PAGE編程，并查詢完成

從以上時間戳可以看到三個步驟分別對應(yīng)的時間是

第一次開始

19:48:31.513.198.648,PROGRAM LOAD x4(32),0000, ,FF,FF,FF,FF,FF,FF,FF,FF,........,

開始寫使能

19:48:31.513.259.134,WRITE ENABLE(06), , , , , , , , , , , ,

開始編程

19:48:31.513.273.890,PROGRAM EXECUTE(10),0040BE, , , , , , , , , , ,

編程完成

19:48:31.513.344.141,GET FEATURE(0F),C0, ,00, , , , , , , ,.,

下一次開始

19:48:31.513.435.474,PROGRAM LOAD x4(32),0000, ,FF,FF,FF,FF,FF,FF,FF,FF,........,

一個PAGE編程的周期

所以一個PAGE的編程時間是下一次開始和前一次開始的時間間隔

435.474-198.648=236.826uS

一次操作是寫2048+128字節(jié)，對應(yīng)236.826uS，換算就是8.76MB/S比使用軟件定時器測試的7.36MB/S大一點，因為軟件額外一些邏輯處理需要一些時間，比如獲取定時器時間，塊之間的循環(huán)切換等。

波形如下

總線上數(shù)據(jù)傳輸時間

總線寫數(shù)據(jù)時間即第一次開始到開始寫使能，

259.134-198.648=60.486uS

如下如圖，后面6.96uS是兩次傳輸之間的間隔，即軟件完成一次傳輸?shù)较乱淮蝹鬏斨g的時間，也算在這個階段了。

寫使能時間

由于編程完之后，NAND會自動寫禁止，所以每次都需要重新寫使能。

執(zhí)行寫使能后要回讀是否設(shè)置成功(當(dāng)然回讀也可以省略但是出于可靠性考慮還是建議回讀，如果回讀未使能再重試)。

對應(yīng)如下

273.890-259.134=14.756uS

編程時間

344.141-273.890=70.251

軟件處理時間

從下可以看出編程完成到下一次開始，還有

91uS

這一部分是軟件處理時間，主要是軟件從NAND控制器的緩存區(qū)中將數(shù)據(jù)搬運到用戶存儲中去。

所以整理下各階段的時間消耗如下

可以看出軟件處理實際占用時間比例最大，主要是從控制器的緩沖區(qū)中將數(shù)據(jù)搬運到用戶存儲的時間。

四. 性能優(yōu)化

針對以上性能分析過程，對各個階段考慮優(yōu)化

1. 總線傳輸

已經(jīng)使用了X4模式, 如果還要縮短該階段的時間，只能繼續(xù)提高頻率了，目前是80M的時鐘，手冊中參數(shù)是3.3V快讀可達133MHz。

針對讀還可以使用DTR雙邊沿模式但是這時最大時鐘頻率只有70MHz，雙邊沿也就是140M所以比133M也大不了多少。

2. 寫使能時間

由于每次編程之后，NAND自動寫禁止，所以該步驟不能少，可以減少回讀操作大約節(jié)省7uS，但是出于可靠性設(shè)計，建議還是回讀，如果回讀不成功則重試。

3. 編程時間

手冊中描述的時間是不使能ECC也最少要300uS，我們實測是70uS左右，所以手冊已經(jīng)寫的很保守了，這里也沒有優(yōu)化空間了。

4軟件處理時間

這一部分主要是軟件在用戶存儲和NAND控制器的緩存之間拷貝數(shù)據(jù)的時間。

可以使用DMA或者提高Burst來減少該時間，

最好是這一部分工作由控制器完成，而不是軟件去搬運，比如軟件指定一個地址，控制器自動從這個地址讀，或者寫入這個地址，而不是通過緩存再轉(zhuǎn)一遍，減少拷貝時間。

軟件時間還包括邏輯處理時間，比如一次傳輸?shù)较乱淮蝹鬏?，需要配?a href="http://m.hljzzgx.com/tags/寄存器/" target="_blank">寄存器，進行判斷，等邏輯處理。

由于軟件是分層設(shè)計包括HW層寄存器的封裝，HAL層傳輸?shù)?a target="_blank">接口，以設(shè)備驅(qū)動層，

對于HW層封裝可以使用宏或者內(nèi)聯(lián)函數(shù)替代函數(shù)，減少函數(shù)調(diào)用時間，HW層和HAL不做參數(shù)檢查，因為接口調(diào)用頻繁等，在設(shè)備驅(qū)動層做參數(shù)檢查。

/**
 * n        int nfc_set_datalen(uint8_t id, uint16_t len)
 * param[in] id port id
 * param[in] len data len
 * 
etval    0  ok
 * 
etval    < 0 param err
 * 
*/
NFC_INLINE int nfc_set_datalen(uint8_t id, uint16_t len)
{
    uint32_t tmp;
    (void)id;
    tmp = NFC_READ_REG(CFG_NFC_ENA_ADDR);
    tmp &= ~NFC_DATA_LEN_MASK;
    tmp |= (len < < NFC_DATA_LEN_OFFSET);
    NFC_WRITE_REG(CFG_NFC_ENA_ADDR,tmp);
    return 0;
}

六.波形文件

這里分享一些實際抓取到的波形文件供參考

波形文件使用軟件Acute TravelLogic Analyzer打開查看。

鏈接：https://pan.baidu.com/s/103HHT4qcvFjGn1q-jJhAUg?pwd=iqlm
提取碼：iqlm

七. 總結(jié)

從以上分析可以看出最大的優(yōu)化空間是減少軟件從控制器緩沖區(qū)去搬運數(shù)據(jù)的時間，這一部分時間占最大頭，可IP設(shè)計優(yōu)化直接硬件搬運數(shù)據(jù)到用戶存儲。

審核編輯：湯梓紅