登壇する機会があったのでその際の資料。RP2040 に搭載されている Programmable IO を用いて、Parallel Command I/F である NAND IC へのアクセスを高速化検討した話。

rpi-pio-nand.pdf

資料は marp を使用して作成したので、以後は元になった資料の markdown 移植版

背景

最近 SSD 自作キット JISC-SSD で 時折放置してますが 遊んでいます。 途中まで C++で書いていましたが、気まぐれで Rust 再実装中...

RPi Pico: RP2040 Cortex-M0+ DualCore @133MHz NAND Flash: KIOXIA TC58NVG0S3HTA00 1Gbit SLC ECC なし

外観回路図抜粋RP2040 Block Diagram
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GPIO で NAND と直結

課題

NAND IC へのアクセスをもう少しいい感じにしたい

GPIO 直叩きでの通信は遅い (当然と言えばそう) SIO (Single Cycle IO) もあるが、転送中 CPU Resouce 占有してしまう PIO (Programmable IO) という小規模なシーケンサのような HW が乗っている

SIOPIO Overview
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bus fabric 経由せず GPIO 叩けるState Machine 4 機

PIO 概要

  • 動作周波数はデフォルトで 125MHz, uCode は 32 命令まで
  • 命令セットはデータ入出力+入出力時の bitshift、分岐命令 あたり
  • GPIO の Read/Write/PinDir 変更、FIFO 経由で CPU/DMA とやりとりできる
  • 命令実行と同時に固定サイクル遅延 (Delay)、もしくは特定ピンの H/L を変更できる (Sideset)
    • この 2 機能に割り当てられる bit は合わせて 5bit まで
命令セットShift Register
height:400pxTX FIFO -> Output Shift Reg height:200px Input Shift Reg -> RX FIFO height:120px
Delay/sideset の bit 割り振りは起動前に設定

NAND IC との通信

GPIO 複数ピンによるコマンド入力 + 双方向データ転送が必要

PinFunction
/CSChip Enable
/WE, /REWrite/Read Enable。転送クロック相当
ALE, CLEAddress/Command Latch Enable。入力データ区別
RY//BYReady/Busy: Busy なら Low
IO[7:0]データ線。双方向
Logic & Command TableRead Operation
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Cmd In (0x00)-> Addr In -> Cmd In (0x30) -> Wait RY/BY -> Data Out...

Simulation/Debug 環境

デバッガがないため、 Jupyter 上に論理検証環境構築 adafruit_pioasm + pioemu + pandas + wavedrom

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設計

DMA で流すデータ上に独自コマンドセットを定義

CmdId を指定し、各シーケンスごとのルーチンを実装。CPU は Buffer 上にシーケンスを組む (流すデータの順番があっていればよいので、連続領域に確保しなくても DMA を Chain で良い)

Data[0] assignFieldDescription
[31:28]CmdIdコマンド指定
[27:16]TransferCount(AddrLatch/DataIn/DataOut のみ) 転送 byte 数指定
[15:0]PinDirectionGPIO の入出力設定
CmdIdData[1, ...]Description
BitbangPinDataそのまま GPIO に流す
CmdLatchNandCmdIdCLE 有効で Data 入力
AddrLatchNandAddrALE 有効で Data 入力
DataOutput-指定回数 Data 出力 + GPIO Read
DataInputTransferDatas指定回数 Data 入力
WaitRbb-RB/BY pin が Ready になるまでループ
SetIrq-割り込み通知（転送完了を CPU に知らせる用）
PIO Process DiagramSequence
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性能 (Data Input の例)

$f_{Max}$ で動かすと Data の Setup 満たさないので 83MHz (12ns) より下げて動かす必要あり。 GPIO Toggle よりはだいぶ速くなったが、AC 特性 Spec と比べるともうひと声。

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まとめ

所感

PIO は小規模ながら色々できて面白い System Clock (Max 133MHz) で動くのでホビー用途なら十分速い 実機デバッグはしんどいので Sim 環境作っておいてよかった FTL としての続きもぼちぼち実装します

出典

JISC-SSD(Jisaku In-Storage Computation SSD 学習ボード) - 株式会社クレイン電子 RP2040 Datasheet - Raspberry Pi Ltd TC58NVG0S3HTA00 Datasheet - KIOXIA

Fin.