一文搞懂芯片内执行XIP技术

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什么是 XIP

eXecute In Place，即芯片内执行，是指CPU直接从存储器中读取程序代码执行，而不用再读到内存中。应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。

flash 内执行是指 nor flash 不需要初始化，可以直接在flash内执行代码。但往往只执行部分代码，比如初始化RAM。好处即是程序代码无需占用内存，减少内存的要求。

(相关资料图)

所谓片内执行不是说程序在存储器内执行，CPU的基本功能是取指、译码、运行。Nor Flash 能在芯片内执行，指的是CPU能够直接从Nor flash中取指令，供后面的译码器和执行器来使用。

为实现就地执行，必须满足几个条件：

存储器必须提供与内存相似的接口给 CPU。

该接口必须提供足够快的读取操作，并具有随机访问模式。

如有文件系统，则需要提供合适的映射功能。

程序链接时需要知道存储器的地址或地址与位置无关。

程序不能修改已加载映像中的数据。

NOR Flash和 EEPROM 通常能满足上述要求。

XIP技术需要CPU和flash同时支持

（1） CPU控制器支持：

而按照通常的理解，要能够实现XIP，Flash 应该是并行总线接口挂在 AMBA 总线上，这个并行总线应有独立的地址线和数据线，且地址线宽度跟Flash大小相对应，类似于DDR或SRAM总线。

那么SPI NorFlash为什么能实现XIP，答案就是 FlexSPI 外设，也就是说需要CPU具备特殊的SPI控制，该控制器实现了串行flash总线到并行总线的转换。为了提升性能控制器内部可以集成类似cache功能的buffer。下图所示为某款CPU的支持XIP的SPI控制器逻辑拓扑。

（2）SPI Nor Flash支持

以下文字摘自某款芯片手册：

XIP mode requires only an address (no instruction) to output data, improving random access time and eliminating the need to shadow code onto RAM for fast execution。

大体的意思是：

XIP 模式只需要一个地址（无指令）就可以输出数据，从而提高了随机存取时间。

无指令，这是和普通模式的最大区别，XIP 模式下 flash 能卖满足一个输入地址一个输出数据要求。以下是XIP模式下的时序图。

一些应用

系统引导时的XIP

通常，第一阶段的引导程序是一个XIP程序，它链接时指定从flash芯片上电后的映射地址开始运行，设置系统RAM，把第二阶段的引导程序或操作系统内核加载进RAM。

在这初始化期间，可写存储器可能不可用，所有的计算都必须在处理器寄存器中执行。因此，第一阶段的引导程序通常以汇编语言编写，提供尽量少的功能，只为下一阶段程序的提供正常的执行环境。有些处理器也能通过嵌入少量SRAM或允许将 Cache 用作RAM来允许用高级语言编写这些程序。

对于内核和引导程序，地址空间通常是内部分配的。为了使用XIP，需要指示链接程序将不可修改的数据和可修改数据放在不同的地址区间，并提供将可修改数据复制到可写内存的机制，使得任何程序正常访问这些数据。

如果地址空间是外部分配的，比如不提供虚拟内存的系统，编译器需要通过向数据区域的私有副本的指针添加偏移量来访问所有可修改的数据。在这种情况下，外部加载程序负责设置实例特定的内存区域。

主内存初始化之前，BIOS 和 UEFI 使用 XIP 技术。

文件系统的XIP

文件系统的XIP通常难以满足。在没有页表的系统中，整个文件必须连续存储，不能碎片化，而基于闪存的文件系统通常会将数据分配到擦除周期最小，磨损最少的扇区，以延长生命周期。

复杂性和速度的折中意味着XIP通常仅用于第一阶段引导程序或RAM极度短缺的情况。例如，第二代至第四代的视频游戏机如Atari 2600将ROM卡带的地址和数据总线连接到游戏机的地址和数据总线，从而能在只有128字节的RAM上。

AXFS（高级XIP文件系统，Advanced XIP File System）是Linux系统上一种较新的文件系统，旨在克服与XIP相关的，特别是在 XIP 用户空间应用程序方面的某些缺点。例如，可以将可执行的二进制文件拆分为“ XIP区域”，从而避免了上面提到的碎片限制。

NOR Flash和Nand Flash

这两种种 flash 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。

Intel于1988年首先开发出NOR Flash 技术，彻底改变了原先由 EPROM (Electrically Programmable Read-Only-Memory电可编程序只读存储器) 和 EEPROM (电可擦只读存储器Electrically Erasable Programmable Read - Only Memory)一统天下的局面。

紧接着，1989年，东芝公司发表了 NAND Flash 结构，强调降低每比特的成本，有更高的性能，并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。

NOR Flash 的特点是芯片内执行（XIP ，eXecute In Place），这样应用程序可以直接在Flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。

NOR的传输效率很高，在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响到它的性能。NAND的结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用 NAND 的困难在于Flash的管理和需要特殊的系统接口。通常读取NOR的速度比NAND稍快一些，而NAND的写入速度比NOR快很多。

这样我们就知道程序能直接在 Nor flash 中执行的原因就是 XIP。

Nand Flash 器件的 IO 口比较少，通过串行地进行读写数据，硬件接口少了，势必会带来复杂的软件成本，一般使用8个引脚来进行传输控制、地址和数据信息，由于时序非常复杂，所以一般 CPU 最好集成NAND控制器，另外由于Nand flash没有挂接在地址总线上，所以如果想用Nand flash作为系统的启动盘，就需要CPU具备特殊的功能，比如s3c2440在被选择为NandFlash启动方式时会在上电时自动读取NandFlash的4k数据到地址0的SRAM中。

如果CPU不具备这种特殊功能，用户不能直接运行 NandFlash 上的代码，因为使用 Nand Flash 必须要各种初始化，复杂逻辑。

Nor Flash能够在片内执行，Nand Flash不能，区别如下图：

这张图很直观，但是需要用心看，左边是普通的flash，可以理解成是Nand Flash，CPU想要从Nand Flash中读取数据，必须要先通过在RAM中计算地址，各种时序计算，然后通过MMU转换地址，然后给Nand flash发送命令，注意是命令，不是地址，Nand Flash根据命令进行相应的操作，如果是读命令，则返回对应地址的数据到RAM中，如果是写命令，则进行写操作。

而右边的图，是针对Nor Flash的，这个很明显，CPU可以像读内存一样，直接跟Nor flash交互，即可以直接从Nor Flash中取指令，然后交给译码模块和执行模块进行执行，可以说，相比较Nand flash，Nor flash的操作对于CPU来说，简直就像是面对面一样。

为何Nor Flash可以实现XIP，Nand flash 不行

解释一：嵌入式系统中代码的执行方式主要有3种：

（1）完全映射：嵌入式系统程序运行时，将所有代码从非易失存储器（Flash、ROM等）复制到RAM中运行。

（2）按需分页：只复制部分代码到RAM中，这种方法对RAM中的页进行导入/导出管理，如果访问位于虚存中但不在物理RAM中会产生页错位，这时才将代码和数据映射到RAM中。

（3）XIP：在系统启动时，不将代码复制到RAM，而是直接在非易失性存储位置执行，RAM中只存放需要不断变化的数据部分，如下图所示：

如果非易失性存储器（Flash）的读取速度与RAM相近，则XIP可以节省复制和解压的时间，Nor flash和rom的读取速度比较看（约100ns），比较适合XIP，而Nand flash的读取操作是基于扇区的，速度相对很慢（us级），因此不适合实现XIP系统，不过Nand flash的写速度比Nor的快，更适合做存储和下载系统。

解释二：两种芯片的结构不同

NOR flash之所以可以片内执行，就是因为他符合CPU去指令译码执行的要求。CPU送一个地址出来，NORflash就能给一个数据让CPU执行，中间不需要额外的处理操作。

NAND flash不一样是因为nand flash有地址，数据，命令共用IO口的问题，cpu把地址发出来之后，并不能直接得到数据，还需要控制线的操作才能完成。就是他没有专用的SRAM接口。

解释三：芯片内执行主要是是看芯片可不可以线性存储代码（假如硬件支持芯片接口），只要能保证芯片的存储空间是线性的（也就是无坏块），都可以片上执行

在读取Flash时候，容易出现位翻转（bitconvert）：在Flash的位翻转（一个bit位发生翻转）现象上，NAND的出现几率要比NorFlash大得多。

这个问题在Flash存储关键文件时是致命的，所以在使用NandFlash时建议同时使用EDC/ECC等校验算法。但是，如果能保证不出错，也还是可以进行XIP，可以在其上执行代码的：

“所谓XIP,就是CODE是在FLASH上直接运行. NANDFLASH只是不适合做XIP,但并不是不能做XIP“

要一段CODE能够正确的运行,要保证它的CODE是连续的，正确的。

由于一些电气特性的原因，NOR FLASH能够做到这一点，不存在坏道或坏块,所以能够做XIP。而对于NAND FLASH, 它只保证它的BLOCK 0是好的，其他的块并不保证，虽然出错的几率比较低，但还是有出错的可能，所以CODE可能无法连续正确地执行。

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