Nor Flash芯片内执行（XIP）
前言：这个所谓的芯片内执行（XIP）对于我这种一根筋的人是很难理解的，一直总觉得CPU是只能在RAM中运行程序，为何能够在Nor Flash中执行程序呢，这里面就有个概念容易混淆，也可能是翻译理解的问题。
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。
NOR Flash和Nand Flash
上面2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。
XIP：execute in place，即芯片内执行，指应用程序可以直接在flash闪存中取指然后译码、执行，不必再把代码读到系统RAM中，flash内执行时指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，比如用于初始化RAM等。
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：
Nor Flash 和Nand Flash的片内执行区别
这张图里的很直观，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。
进一步， 为什么Nor Flash可以实现XIP，而Nand flash就不行呢？
有一个概念：嵌入式系统中代码的执行方式：
（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：
完全映射和XIP的比较
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，Nor flash就能给出一个数据让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。
但只要你有额外的保障措施,比如说在执行CODE之前去做一次ECC校验,来确保CODE是连续正确的.那你也可以做XIP. 有人这么做了,而且也证明是成功的。
编辑：Simon 最后修改时间：2019-06-26
