细说SPI主机发送性能最大化实现方案

一、背景

在《先楫hpm6000的SPI外设使用四线模式操作读写华邦flash》 一文中介绍了先楫SPI外设是为flash器件而生的控制器，但是楼主在该篇文章读写flash的页是用的poll轮询读写spi fifo的接口，并没用DMA来进行加速优化。本篇就是基于SPI配合DMA实现理论速度性能。

 

二、问题点

（一） SPI FIFO poll阻塞发送无法发挥SPI理论速度性能

使用spi poll阻塞的时候，虽然能实现数据的完整传输，但是传输的时间并不能达到理想传输速度，比如SPI四线模式下，30M的SPI SCLK时钟，理论可以达到15MB/S速度。但实际测量当中并未达到该性能。从逻辑分析仪看到，发送flas一页数据，也就是256字节，从开始传输到结束传输的时间需要37.034us，合计为6.91MB/S，与理论速度相差了2到3倍的距离。

 

 

    从波形上看，导致这个速度达不到原因就在于，每个字节之间存在了一定的间隔时间，这些间隔的累积导致传输时间变长，导致总的时间变长，进而速度远远跟不上。

 

 

（二）使用了DMA仍然有SPI SCLK时钟不连续问题

从（一）的问题可以看出，要想达到理论速度，必须消除每个字节的SCLK间隔，缩短传输时间。这时候需要DMA来加持速度性能，但实际上，在使用了相关配置之后，速度虽然有些提升，但还是存在些许间隔产生。

 

在这里的例子验证条件是：SPI SCLK时钟频率为50M，主机发送512字节。理论传输速度可以25MB/S.从逻辑分析仪可看到，间隔有所缩短，但依然存在字节间隔。512字节传输需要45.97us,合计为11.173MB/S。距离25MB/S也有两倍的差距。

 

三、解决问题

在二问题的所有描述当中，速度达不到理想性能，归根到底是字节之间产生间隔累积形成。

所以我们的问题解决点是：再配合DMA，进行其他优化。达到理想速度性能。

 

(一) 使用AHB SRAM(内存32KB空间)作为数据交互RAM。

在HPM6000系列中，AHB/APB外设总线连接了一个内存为32KB空间的AHB SRAM，与之同时连接的也有DMA控制器之一HDMA。

 

从官方文档可知，AHB SRAM和HDMA以及SPI外设同样位于AHB/APB外设总线中，AHB SRAM是专门给HDMA进行低延时访问的内存，也是SPI进行DMA低延时传输保证。

 

    

在上面的DMA搬运中，待发送的数据放在AXI SRAM中。那么把这发送的数据放在AHB SRAM，看下会不会有所提升。

    

从以下逻辑分析仪结果看出，传输512字节，相比放在AXI_SRAM中，在AHB_SRAM只需要22.97us，缩短了23us, 合计22MB/S，提高了两倍速度性能。当仍与25MB/S理想速度有些许差距。

    

通过放大波形查看，有些字节依然产生间隔，这也是导致速度没达到理想速度的原因。

 

（二）使用DMA的burst突发传输

先楫的DMA，对于源地址数据来说，支持突发传输。例如传输位宽为8，设置burst数量为4，那么就是相当一次DMA请求设置了4个节拍，连续传输4个字节。是单次传输的4倍效率。在这里来说，待发送的数据就是源地址数据。

    

先楫的SPI控制器有四个字的FIFO数据空间，每个FIFO是32位。SPI请求DMA搬运是通过发送FIFO阈值请求。从效率上来看，最好是一次请求中能把FIFO数据全部搬运。从上面的优化流程来看，都设置为了默认，TX FIFO阈值设置为了0，也就是只要TXFIFO有一个为空就请求一次，DMA的源数据burst数量为0，也就是相当设置了1个节拍的突发传输，传输宽度为8位，一次DMA请求就塞给一次FIFO，等待FIFO完全塞满后这时候没法请求，所以会导致一次周期的间隔，当DMA收到请求后连这样能解释上面为何每隔四个字节会产生间隔的原因。

    

所以这里我们可以SPI的TXFIFO阈值为3，当出现一个空位的时候就请求一次，设置burst数量为2，也就是四个字节，一次请求搬运四个字节。通过逻辑分析仪可看到:

 

配合（一）的方案，传输512字节，只需要20.468us,合计为25MB/S左右，接近了理想速度性能了。

    

放大波形查看，也能看到SCLK时钟连续了。

 

（三）压榨性能（使用SPI的字节合并merge功能）

先楫官方手册说明的是SPI时钟可以80M，保守是40M。在四线模式下，SPI时钟SCLK为80M，相比单线来说可以提高四倍性能传输，也就是可以达到40MB/S。

 

但是在实际操作的时候，分频SPI SCLK频率到66M，又出现了SCLK时钟不连续的情况，导致与理想速度不符合。

    

仔细翻下官方手册，可以知道SPI有个寄存器是TRANSFMT，有一个位是DATAMERGE，对于描述如下：

 

特别说明的是，由于SPI的数据FIFO是32位，这个功能只在数据单位长度为8位的时候有效，而且合并的数据量需要以四的整数倍。如此来说，在配置DMA的时候，传输宽度可以从8位变到32位，传输的带宽也能提高了四倍。那么我们这样配置下，逻辑分析仪结果如下：

在66M的SPI SCLK时钟下，逻辑分析仪抓到的SCLK能保持连续，并且数据能对得上。512字节耗时15.352us，合计33MB/S左右，与理论速度33MB/S接近。

 

    

80M的SPI SCLK频率，传输512字节，耗时12.794us，合计40MB/S左右，也能满足预期40MB/S速度。

 

SCLK波形也能保持连续。

 

四、号外（单线SPI总线可以达到120M）

四线模式既然能达到80M，那么楼主想试下80M的单线，也是没问题的，效果如下：

    

再尝试一把，把SPI SCLK分频到120M，只是稍微有点间隔，但单线SPI也是没问题的。

 

五、总结

对于先楫这个SPI外设来说，配合DMA，SPI的数据FIFO以及相关SPI配置，能达到手册描述的性能。无论是四线模式还是二线模式还是单线模式，都能到达80M的SPI时钟性能。   

 

对于SCLK不连续的问题在于DMA搬运和SPI传输不同步造成，导致传输间隔中断，特别是SPI频率越来越高的情况下。解决同步问题就不会有SCLK不连续的问题存在。

 

 

以上内容来自先楫开发者的原创分享。

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